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Atomic Force Microscope 原子力顯微鏡 指導老師：吳坤憲 教授 學生：張正倫 高煜彬 郭奐均 Southern Taiwan University of Technology 概述 1982年IBM蘇黎世研究所的Binnig 與Rohrer[1]及其 同事成功地研製出第一台掃描式穿隧顯微鏡 (Scanning Tunneling Microscopy，STM)，為人類在 奈米級乃至在原子級水準研究物質的表面原子、分 子的幾何結構及與電子行為有關的物理、化學性質 開闢了新的途徑 1986 年，Binnig，Quate 和Gerber[2]發明了原子力 顯微鏡(Atomic Force Microscopy，AFM)改良了掃描 式穿隧顯微鏡(STM)需導電材料的限制，使得研究 的材料表面不再受限於導電性材料，彌補了掃描式 穿隧顯微鏡(STM)的不足。 AFM的操作原理 原子力顯微鏡（AFM）之量 測方式主要是利用光學放大原理 ，感測探針的微小彎曲或振動。 首先，使用雷射二極體產生 一雷射光束，經鏡片聚焦於探針 尖端背面，再反射至四象限光檢 測器上，並在光檢測器的四個象 限上感測到不同大小的電流。當 探針產生變形時，光感測器接收 到的光點位置會變化，而改變光 感測器的每個象限的電流大小， 而感測到作用力的程度，此反應 的程度和針尖與試片表面的距離 有關。 AFM之操作原理與迴授控制系統 photodetector ECU z-scanner Laser PC V x-scanner PID Sample Topography AFM在檢測試片表面特性時，微 探針會先接近掃瞄試片表面，在兩 者距離極為接近約10nm 產生超距力 場，而受力的程度會和針尖與試片 表面的距離相關，再利用感測器來 檢測探針受力變形的程度，將此感 測訊號迴授給控制系統，控制掃瞄 平台來維持試片與微探針的距離， 進而得到試片局部表面的高度，最 後，配合二維掃瞄平台的移動則可 構畫出表面形貌。掃瞄平台的動作 方式可以是將微探針固定而移動試 片，或是試片不動而微探針作掃瞄 運動。 原子力顯微鏡之分類 • 接觸模式 (Contact AFM) • 非接觸模式 (Non-Contact AFM) • 半接觸模式（Semicontact Mode AFM） 接觸式 (Contact mode) 定高度模式(Constant height mode) 接觸式 (Contact mode) • 定力模式(Constant force mode) 非接觸模式 (non-contact mode or NC-AFM) 定振幅方式與共振頻率偏移方式 半接觸模式 (Tapping Mode) 探針和樣品間的距離介於接觸式和非接觸式，即0.5 至數十奈米之間，探針懸臂振動的振幅較大，在振幅最低 點的位置，探針恰敲擊試件表面。 半接觸式模式和非接觸模式的操作方式類似，屬於動 態量測。其成像模式是採定振幅方式，當探針與樣品間產 生交互作用力時，懸臂的振幅會增加或衰減，利用壓電掃 瞄平台的上下調整可得到定振幅，因此得知樣品表面形像， 解析度較非接觸模式的解析度高。 AFM操作模式的比較 •解析度：接觸式＞半接觸式（5-10nm）＞非接 觸式（50nm ） •半接觸式與接觸式比較，雖然解析度較差，但 破壞樣品的機率卻大為降低，同時也較不受摩 擦力的干擾。 原子力顯微術的三種操作模式優缺點 接觸模式之優點： (a) 掃瞄速度較快。 (b) 表面形貌解析度較高，唯一可得到原子大 小解析成像的模式。 (c) 適用於表面起伏大的樣品。 接觸模式之缺點： (a) 掃瞄時產生摩擦力會使成像失真。 (b) 吸附現象、表面黏性、彈性等因素會影響 表面形貌。 (c) 較容易刮傷樣品表面。 非接觸模式之優點：可減少樣品刮傷。 非接觸模式之缺點：空間解析度較差。 半接觸模式之優點： (a) 橫向解析度較高。 (b) 低作用力，可減少樣品刮傷，故適 合較軟的材料和生物樣本(DNA)。 半接觸模式之缺點：掃瞄速度比接觸模式慢。 AFM掃描模式適用範圍 掃描模式 適用範圍 接觸式 (2-3 nm) 接觸面積小，但過大的作用力會損壞樣品， 尤其是對軟性材質。不過，較大的作用力， 通常會得到較佳的解析度，所以選擇較適當 的作用力，便十分重要。由於排斥力對距離 非常敏感，所以較易得到原子解析度。 非接觸式 (低於20 nm) 半接觸式 (5 nm) 由於探針和樣品間沒有接觸，樣品沒有被損 壞的顧慮，但受空氣中樣品表面水膜的影響， 其解析度一般只有50 nm，而在超高真空中 則可得原子級解析度。 解析度介於接觸式與非接觸式之間，且破壞 樣品的機率大為降低。但由於高頻率探針敲 擊，對很硬的樣品，探針針尖可能受損，甚 至留下殘餘物在試片表面。 重大突破 AFM具有三個傳統顯微鏡無法達到的重大突 破: AFM具有極高度的解析力 AFM具有三維立體的成像能力 AFM可以在多種環境下操作 AFM的結構 探針與物品接 觸 探針產生偏移 雷射光造成反 射 光偵測器接收 電腦 繪出圖形 AFM的結構 高倍率掃描電子顯微鏡探針 AFM探針 經半接觸式量測之後Si Crystal 探針尖端損耗 AFM量測結果比較 接觸式(contact mode)掃瞄成像 半接觸式(Tapping mode)掃瞄成像 生物科技上的應用 解決生物學難題的理想工具： (1)樣品不需具導電性 (2)對DNA、蛋白質進行形態分析 (3)進行直觀下的分子剪輯、DNA特 殊位點的定位 AFM之運用 利用AFM做力量之量測 15 nm 最小字為0.5x0.5 μm2，線寬為50 nm，深度為10 nm IC材料檢測 •由掃描元件表面來偵測其缺陷與否，來偵 測磁碟片（CD、DVD）等模版的表面是否 有缺陷。 •用以掃描空白光碟片，利用電腦運算可以 量測其組成是否一致及其截面的對稱性。 報告完畢