Transcript Nanosurf AFM 原子力顯微鏡原理簡介

Nanosurf easyScan2 FlexAFM
原子力顯微鏡原理簡介
曹勝益
三朋儀器股份有限公司
竹北市自強南路8號8F-13
TEL : 03-550-8385
2010-12-22
AFM 基本構想
就像用手指頭觸摸點字
一般，當受過訓練的手
指滑過一整排的點字時
就能讀取其中的意義。
AFM 的探針代替了手
指，精密的移動裝置代
替了手指的移動過程。
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AFM 基本的組成
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AFM 探針
尖端半徑
小於8nm
10 – 15 µm
支架1.6 x 3.4 mm
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AFM 應用凡德瓦力原理
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AFM 探針在SAMPLE表面上
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Contact mode
(接觸式AFM)
接觸式，是探針在掃描時總是接觸著材料的表面。
在此操作模式下，探針與樣品表面間的作用力是原
子間排斥力( repulsive force )。由於排斥力對距
離非常敏感，所以接觸式AFM 較容易得到原子解析
度，但因探針與樣品間的接觸面積極小，雖然其作
用力很小，約只有10-6-10-10 牛頓，仍會損壞樣品，
尤其是軟性材質，但是較大的作用力通常會取得較
佳的解析度，所以選擇適當的作用力便十分重要。
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Constant Force Animation
Constant Height Animation
Non-contact mode
(非接觸式AFM)
非接觸式，乃是探針與材料表面總維持著一定的距
離。利用原子間的長吸引力—凡得瓦爾力( Van der
waals force )來運作，不過此力對距離變化的敏感
度小，因此必須使用調變技術來增強訊號雜訊比。
非接觸式AFM 一般只有50nm 的解析度，不過在真空
中即可得到原子級的解析，此操作方式的發展原因
乃是為了解決接觸式損害樣品的缺點。
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Dynamic Force Mode
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Tapping mode (dynamic mode)
(輕敲式AFM)
將非接觸式加以改
良，其原理係將探
針與樣品距離加近，
然後增大振幅，使
探針在振盪至波谷
時接觸樣品，由於
樣品的表面高低起
伏，使得振幅改變。
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Dynamic Mode Animation
Nanosurf easyScan2 FlexAFM組成
掃瞄頭
控制器
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交換探針的方法
• Removing the Cantilever Holder
• Replacing a cantilever
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軟體上可以直接顯示探針影像
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實際掃描畫面
Nanosurf FlexAFM ScanHead規格
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Spheres on surface
5x5µm image, z-range: 200nm
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Surface after patterning
5x5µm image, z-range: 40nm
This image shows the rough fibrous
structure of uncoated paper.
Uncoated
20x20µm image, z-range 1.8µm
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The image shows the typical
morphology of the filling material
of coated paper. Coated
3x3µm image, z-range 310nm
AFM 的其他應用
Nanosurf AFM
Phase Detection Microscopy
(PDM)的應用
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為何使用Phase Contrast 模式?
• 不管是表面粗糙度或是3D輪廓掃描功能AFM都可
以全部包辦，其中AFM還有一項功能就是能夠分
辨試片中不同材質的比例分佈。
• 天然橡膠中加入碳黑(Carbon Black)及其它的填
補物時，利用AFM 的Phase Contract 模式才能
真正得到微細範圍內(幾個µm2)在混鏈過程中是否
均勻。
• 主要應用於試料表面，由於吸著力與粘彈性等特
性造成探針撓性連杆振動的位相變化，使用相位
模式探測可得到較佳的影像，且可與表面形狀同
時測定。 帶電的試料、柔軟的試料，且其吸著力
強時，使用相位模式的探測較有利。
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Cantilever beam
astigmatism detection
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AFM 的簡易作動原理
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Phase in dynamic mode AFM (一)
在Dynamic 模式下，
給探針的振動頻率和
雷射光反射回”四象
限”光偵測器的時間
差可以得知SAMPLE
不同材質的組成。
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Phase in dynamic mode AFM (二)
Phase不是畫出表
面形貌，而是利用
高低來表示材質的
不同成分。
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Phase in dynamic mode AFM (三)
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PHASE 影像
木質紙漿纖維
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利用Phase 圖像觀察
金屬接點在塗佈過程中被汙染的程度
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利用 Phase Contrast 觀察複合聚合物添
加物質的均勻性。
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試片表面形貌
(Topgraphy)，類似
用相機拍攝的原理。
相位圖(Phase)，
相同顏色的代表
相同的材質。
橡膠Phase Contrast
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(Nanosurf AFM 操作軟體)
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上下移動bar可以改變組合範圍
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(Nanosurf Report AFM分析軟體)
利用二進元圖形分
析法將類似的相位
抓在一起。
不同的相位角度代表
不同的添加的物質。
生膠
部分
添加
材料
橡膠Phase Contrast
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(Nanosurf Report AFM分析軟體)
操作模式設定
新增PHASE圖像
注意 : Free Vibration amplitude : 06 ~ 1 V
在Phase Contrast 的模式下會比標準設定值0.2 V 來的清析。
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(Nanosurf AFM 操作軟體)
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為什麼輪胎材料「橡膠」
須要用AFM來量測 ?
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混練膠流後的橡膠，切開後發現
「外」面與「內」面的硬度不同。
切開
外
外
外
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內
外
外
找出原因 ? ? ?
(1)是甚麼原因造成硬度不同?
(2)行駛中的輪胎會不會因為輪胎表皮和內
部硬度不同加上溫度變化的關係而破裂
造成危險。
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研究討論方向
１）找出哪一種添加料造成硬度不同的關係。
２）這個添加料是不是因為接觸空氣產生了
變化。
３）這個添加料是不是因為試體冷卻時間不
同造成硬度的變化（橡膠外部接觸空氣
的部份冷卻較快。）
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AFM 的應用
• AFM 可以量測物體表面的3D形貌。
• AFM 可以利用相位差(PHASE)的方式量測出
試體表面不同的成分比例。
• 利用AFM側向力(Lateral Force)量測方法，
找出物體相對於探針的不同的磨擦力也可
以量測出被測體表面不同材質的分部情形。
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一般掃描及
PHASE 的應用
Lateral Force
的應用
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AFM 在PHASE 的應用原理
Phase不是畫出表
面形貌，而是利用
圖面高低來表示材
質的不同成分。
非接
觸式
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AFM在 Lateral Force 的應用原理
接觸式
接觸式
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不同材質
的情況
相同材質但
是形貌高低
的情況
實際用AFM PHASE 掃描(1)
相同一個 SAMPLE ，利用標準 AFM 及 PHASE 量測模式呈現不同形貌
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標準 AFM 量測結果
PHASE 量測結果
實際用AFM PHASE 掃描(2)
相同一個 SAMPLE ，利用標準 AFM 及 PHASE 量測模式呈現不同形貌
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標準 AFM 量測結果
PHASE 量測結果
實際用AFM PHASE 掃描(3)
相同一個 SAMPLE ，利用標準 AFM 及 PHASE 量測模式呈現不同形貌
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標準 AFM 量測結果
PHASE 量測結果
利用PHASE 模式統計延遲的角度
PHASE 量測圖像
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PHASE 角度統計圖
長條圖代表的意義
1. 角度越大代表材質越軟
2. 左圖中分出了15種添加成分
3. 角度 69.7-75.7 之間最長應該
是原來的橡膠。
4. 其他部分應該是添加的材料
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同一個橡膠內部和外側的比較
橡膠外側接觸空氣的部分
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橡膠內部沒有接觸空氣的部分
當已知材料成分種類時
Nanosurf Report 可以重新統計長條圖
已知有8種成分組成
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已知有30種成分組成
AFM 量測範圍小是否有可參考性
1)左邊3個圖是同一
個SAMPLE 在不同
地方量測到PHASE
的圖像。
2)代表AFM PHASE 量
測具有相當程度的
可信賴性。
謝謝指教
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