TMX2000型原子力显微镜(AFM)力的标定

　　1　引　　言

　　利用原子力显微镜(AFM)进行纳米科技研究中,力的标定十分关键,也是难点之一,尽管AFM仪器的原理几乎相同,但生产工艺相差较大,测量后得到的信号,一般不是以力的具体数值给出,而是以电流或电压的形式给出,作者使用的TopoMetrix公司的新型产品TMX2000 AFM,它的表观值以电流的形式给出,到目前为止,还没有见到该公司产品关于力标定的报道,作者结合实验测量,得到针尖的各项参数,标定出载荷和横向力,并给出粘附力和横向力的标定方法,由此可得到法向力和摩擦力的信息。这些结果目前已应用于具有减摩作用的分子沉积(MD)的纳米摩擦学研究中[1～4]。

　　2　TMX 2000型AFM原理简介

　　TMX 2000型原子力显微镜是TopoMetrix公司的新型产品,它利用虎克定律,将表面与针尖间的微小力转化为微变形,由光程的变化进行位移放大,通过光电转换器变为电信号,放大后进行成像,可以实现大气、液体、真空等环境下的成像,甚至达到亚埃级的分辨率[5]。

　　3　TMX 2000 AFM载荷的标定

　　3.1　针尖的形状与各项参数

　　原子力显微镜中针尖是非常重要的组成部分,针尖的性能和各项物理参数直接影响到实验的测量工作,不同的目的选择不同的针尖,对于纳米摩擦学,作者选择了三棱锥形的Si3N4针尖,型号为1520型。通过扫描电子显微镜(SEM)扫描和TopoMetrix公司给出的数据,可以得到针尖的形状和参数。见图1所示。它的结构参数各项数据为:

　　利用Liu[6]或Neumeister[7]的方法可以得到:法向弹性系数kn=0.073N·m-1;横向弹性系数kt=70N·m-1;探针的法向系数Cn=2.4×10-5N·rad-1。

　　3.2　载荷的标定

　　TopoMetrix公司的TMX 2000 AFM,在扫描前一般要进行光路的调整,使得反射的光斑正好落在光电探测器的正中间,此时载荷和横向力的信号正好为零。在实际操作过程中,横向力信号比较容易调整为零,而载荷信号很难调整到零,仪器要求在允许范围内即可,因此在计算载荷时要扣除此初始电流信号Il0。

　　形貌成像光路中,针尖在法向上移动的距离和光电探测器接收的法向信号成正比,而根据虎克定律,它和载荷Fl也成正比,即:

　　其中:Z为针尖在法向上移动的距离(单位:m),Ilm为仪器显示的法向电流信号(单位:A),Il0为初始电流信号(单位:A),Fl为载荷(单位:N),Sn为仪器法向电流系数(单位:A·m-1),可由仪器给出。

　　由此载荷可以标定出:

　　4　TMX 2000 AFM的摩擦力标定

　　原子力显微镜从1986年诞生[8]后,经过多次改进,现已发展成为一个庞大的家族,TMX 2000 AFM不仅能用于表面形貌的测量,而且是进行纳米摩擦学研究较好的工具。