基于AFM的纳米测试技术在机械领域中的应用

　　0　前言

　　纳米技术是通过一定的设备,使尺度范围在1~100nm内的物质结构发生改变,从而在物理、化学和生物学方面出现宏观块体材料所不具备的奇异特性。这种技术是21世纪的新兴技术。纳米技术对社会的促进作用被认为是可以和20世纪50年代的计算机和信息技术相提并论的技术。这个尺度范围内的奇特现象使纳米技术从MEMS (闻名于美国的微机电系统)和MST (闻名于欧洲的微系统技术)中分离出来[1]。纳米技术在当代成为世界关注的热点技术。以AFM为代表的纳米测试技术是纳米技术的重要组成部分。

　　1　原子力显微镜(AFM)

　　1·1　AFM的基本原理

　　1986年, Binnig, Quate和Gerber等在斯坦福大学发明了原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)[2]。AFM与光学显微镜和电子显微镜完全不同,不采用任何光学或电子透镜来成像,而是利用尖锐针尖在表面上方扫描来检测样品的一些性质。当时AFM的横向分辨率可达2nm,纵向分辨率为1埃。这样的横向、纵向分辨率都超过了普通扫描电子显微镜的分辨率,而且AFM对工作环境和样品制备的要求比电镜的要求少得多。AFM工作原理是将一尖锐针尖装在一个对微弱力非常敏感的微悬臂上,并使之与待测样品表面有某种形式的力接触,通过压电陶瓷三维扫描控制器驱动针尖或样品进行相对扫描。作用在样品与针尖间的各种各样的力会使得微悬臂发生形变,这些形变可通过光学或电学的方法检测得出。因此, AFM通过控制并检测针尖和样品间的相互作用力(原子间斥力),不仅可以分辨成像材料表面形貌,而且还可以分析研究表面性质。

　　1·2　AFM的工作原理

　　AFM使用一个一端固定而另一端装有针尖的弹性微悬臂来检测样品表面形貌。当样品或针尖扫描时,同距离有关的针尖和样品间的相互作用力(既可能是吸引的,也可能是排斥的)就会引起微悬臂发生形变。也就是说微悬臂的形变可作为样品-针尖相互作用力的直接度量。一束激光照射到微悬臂的背面,微悬臂将激光束反射到一个光电检测器,检测器不同象限接收到的激光强度差值和微悬臂的形变量会形成一定比例关系,如图1所示。如果微悬臂的形变约为0·01nm,激光束反射到光电检测器后,则可变成3~10nm的位移,足够产生可测量的电压差。反馈系统根据检测器电压的变化不断调整针尖或样品Z方向的位置,可以保持针尖和样品间作用力恒定不变[2]。通过测量检测器电压对应样品扫描位置的变化,就可得到样品的表面形貌图像。商用微悬臂具有的弹簧常数一般为0·004~1·85N/m,针尖曲率半径大约为30nm。

　　1·3　AFM的实验部分

　　AFM测量的是探针与样品表面间的力,而探针又结合在一个弹簧式的微悬臂上,由此作用在探针上的力将使微悬臂发生弹性形变。为方便起见,微悬臂和探针结合在一起被称为“微悬臂”或“悬臂”。已知微悬臂的弹性系数为k,根据形变量Δz和等式F=kΔz,可直接得出力F。