基于隧道电流检测方式的原子力显微镜纳米检测系统设计

　　原子力显微镜(AFM)与扫描隧道显微镜(STM)都是研究表面微观结构的强有力工具[1,2],是当前纳米材料表面分析的主要仪器。尽管STM有着同类其它仪器不可比拟的诸多优点,但由仪器本身工作方式的不足也是显而易见的,主要表现在STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性,对于半导体,观察的效果就差于导体;对于绝缘体则根本无法观测。AFM却能在多种实验环境(真空、大气、溶液、低温等)下高分辨地实时观察导体、半导体和绝缘体的表面结构,提供许多其它表面分析技术不能提供的新信息,这是AFM技术的一个重要特色,这种特色给各种各样的表面材料尤其是化学生物研究提供极大的方便。AFM在表面科学中的应用研究不仅仅是观察表面的物理化学性质,还可以用来研究表面上发生的物理化学过程。例如,观察金属膜与半导体硅化物形成的初始阶段,进而研究势垒的形成及晶体取向生长的性质[3,4];通过观察半导体样品表面的能隙状态来研究费米能级;研究表面化学反应的原子级细节;对原子簇化合物进行深入研究,以寻求更新更多的特种催化剂;研究吸附质/载体系统,推断吸附分子的局域电子性质和对基底表面结构的影响等。对于AFM系统具有多种检测方式:激光反射法、隧道电流法、电容法、压电法、共振频移法等。本文在已具备成熟STM技术的基础上设计一种相对简易的AFM系统-STM检测方式的原子力显微镜纳米检测系统[5,6],型号为IPC-208B。该系统紧紧依托实验室已有的IPC-205B型STM系统,采用隧道电流工作方式,将STM与AFM组合兼容,既节约成本,又提高了仪器的使用效率。

　　1　设计原理

　　扫描隧道显微镜的基本工作原理是利用量子理论中的隧道效应,将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极,IPC-205B型STM工作时,在样品和针尖间加一定电压,当样品与针尖的距离非常接近时,由于量子隧道效应,样品与针尖间产生隧道电流。在标准情况下,隧道电流I可近似地表达为

　　上式中,m为电子质量,Φ为有效局部功函数,h为普朗克常数。根据量子力学的有关理论算出:当距离d减小0·1 nm时,隧道电流I将增加一个数量级,即隧道电流I对样品的微观表面起伏特别敏感。因此,利用电子反馈线路控制隧道电流的恒定,并利用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面的扫描,则探针在垂直样品方向上高低的变化就反映出样品表面的起伏。

　　由STM的工作原理图1可知,STM工作时要监测针尖和样品之间隧道电流的变化,因此它只能直接观察导体和半导体的表面结构。在AFM设计系统中既要保留隧道电流用来采集信号,又要保证系统不受研究样品导电性的限制,因此提出如图2的设计原理。AFM探针与样品之间原子力作用机理如图3所示。