第二章 實驗儀器與原理
2.1 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy，AFM)
2.1.1 AFM 基本介紹
自 1986 年 G. Binnig，C.F. Quate 和 C. Gerber 發明掃描探針顯微術後，一系 列的掃描技術就陸續衍生出來，原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy，AFM) 即是其中的一種。AFM 是以探針原子與表面原子間的交互作用力來量測表面特 性。在實驗操作時，通常是保持一定作用力的大小，使探針與表面的間距固定。
如此一來，掃描時，利用掃描器垂直微調能力和回饋電路，所記錄的探針移動高 度即為樣品表面的地勢高低(topography)。
AFM 的微小探針通常是黏附在懸臂上，當探針尖端與樣品表面接近時，因 力場而產生作用力，造成懸臂的彎曲。此彎曲量 x 可由雷射聚焦在懸臂頂端後，
反射至光偵測器(PSPD)，再由 PSPD 接收到的雷射光點位置變化換算成表面與探 針間的作用力 F=kx，如圖一所示。
圖 2.1 AFM 雷射光反射途徑與光偵測器。雷射光經懸臂反射至光偵測器上。
依操作模式可分為
(a)接觸式(Contact Mode)
當探針與表面相當接近時(大約幾埃的距離)，探針所感受到的是排斥力(如圖 二)，此為接觸模式。接觸模式下，探針直接接觸到樣品表面並使懸臂稍微彎曲，
我們只要利用回饋電路固定此彎曲量，便可得到表面的高低起伏。
(b)非接觸式(Non-contact Mode)
探針與表面維持一固定的距離(數十到數百埃)，利用探針尖端原子與樣品表面 原子之間的長程吸引力(凡德瓦爾力)來運作。凡德瓦爾力對距離變化的敏感度很 小，所以必須使用調變技術來增強訊號雜訊比。雖然此方法解析度並沒有接觸式 的好，但卻改進了接觸式可能刮傷樣品或是損傷探針的缺點。
(c)輕敲式(Tapping Mode)
輕敲式是介於接觸與非接觸之間的模式，解析度比非接觸式好，又較接觸式不 會傷害樣品表面。其原理是較非接觸式靠近表面，且加大振幅，使探針在震盪至 波谷時輕敲樣品，由於樣品表面的高低起伏，使懸臂振幅改變，再利用回饋裝置 取得樣品高度影像。
圖 2.2 樣品表面與探針針尖之間的交互作用力圖。當樣品與針尖相距約幾埃的距 離，懸臂受力為排斥力，此為接觸模式；當樣品與針尖距離數十到數百埃時，懸 臂受力為吸引力，此為非接觸式。
2.1.2 回饋系統與影像產生原理
本實驗是以輕敲式(Tapping Mode)為主，以下詳細介紹輕敲式的影像產生原 理。探針遠離表面作自由震盪時，有一自然共振頻率ω0，在此ω0下振幅有極大 值。操作時探針被一震盪器驅動，並以一略小於ω0的頻率ω作震盪(如圖 2.3：
kHz 72 .
=259
ω )，由簡單的模型可知 *
*
m
= k
ω 。探針靠近表面因作用力的關係使
改變。若作用力為吸引力則 變小，
k* k* ω也跟著變小；相反的，若作用力為斥
力則k*和ω皆變大。
如圖 2.4，當探針接近表面並產生吸引力時，頻率曲線往左移，ω0左側的 頻率ω所對應到的振幅值隨之變大。因此只要控制此∆Α保持固定，即可使探針 和表面保持固定的吸引力，再藉由回饋系統，便可得到表面的形貌。
圖 2.3 懸臂振幅、相位與驅動頻率的關係圖。驅動器以ω頻率震盪時，探針的響 應頻率為 259.72kHz，此時振幅有最大值，相位為 0 度。(本圖取自 D3100 Manual)
圖 2.4 探針頻率曲線圖(本圖取自 D3100 Manual)
接下來介紹，如何偵測懸臂產生的微小位移。
光偵測器通常分為四部份，當雷射光反射至光偵測器時，藉由比較光在各區 域的強度，即可以精確的量出懸臂的位移。以圖 1.1 為例，當懸臂有 z 方向位移 時，雷射光點將會上下移動，此位移量可由(A+B)-(C+D)的訊號獲得；當懸臂有 t 方向的位移時，雷射光點會左右移動，位移量則由(A+D)-(B+C)的訊號獲得，其 中 A+B+C+D 的值是保持不變的。
光偵測器(PSPD)在接收到訊號差值後，將訊號值傳至鎖相放大器，鎖相放大 器濾出其與原先驅動懸臂震盪相同頻率的 AC 值，經過一 AC/DC 轉換器，輸出 一 DC 值，接著此 DC 值將與我們所設定的 set point 值產生一誤差值，此誤差 值將會送到 Z Piezo 作回饋控制。藉由 Z 軸的起伏，使懸臂震盪振幅保持一定，
將可得到樣品的高度變化圖，整個線路如圖 2.5。
圖 2.5 AFM 線路圖(本圖取自 D3100 Manual)