如何識別AFM成像過程中典型的針尖效應

吳海華 彭明發 何小蝶

（1.蘇州大學功能納米與軟物質研究院，江蘇 蘇州215123；2.蘇州大學納米科學技術學院，江蘇 蘇州215123）

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy,AFM）是一種可以獲得樣品形貌極高放大倍數的測量技術[1-4]，不同于光學顯微鏡及掃描電子顯微鏡，AFM的分辨率不是依賴于光束或電子束的波長決定的，AFM圖像是利用超細的探針在樣品的表面通過機械掃描獲得的，成像質量的高低，很大程度上由于探針的形狀決定的[5-10]。本文主要討論AFM成像過程中探針的針尖效應對成像質量的影響。

1 討論

AFM圖像是探針與樣品表面形貌卷積的結果，圖像質量很大程度上是由探針的幾何形狀決定的，為了理解AFM圖像形成過程及與真實圖像的差別，需要了解掃描探針的針尖效應。掃描探針的針尖有兩個重要的物理量，分別是曲率半徑（Radius of curvature）與側壁角（Sidewell angle）如圖1所示，針尖的曲率半徑決定了AFM圖像的分辨率，側壁角影響陡坡圖像的精度，下面主要從五個方面討論針尖效應對AFM成像的影響。

1）針尖的橫向展寬效應，如圖2的上表面的寬度比實際的寬度要寬，圖3中，不同曲率半徑的探針橫向展寬效應不同，曲率半徑大的探針，橫向展寬效應越明顯。

2）邊緣效應，如圖2B，D位置，真實中棱角分明的形狀變的圓潤，棱角越分明，針尖曲率半徑越大，邊緣效應越明顯。

3）陡坡效應，如圖2C，F位置處，由于探針針尖側壁角的影響，導致得到的陡坡AFM像與實際物相差較大，坡度越大，陡坡效應越明顯。另外與針尖的側壁角相關，側壁角越大，陡坡效應越顯著。

4）溝壑效應，當探針的曲率半徑較大時，不足以探測到溝壑的底部，如圖2H位置及圖4。探針的曲率半徑越大，AFM得到的深度與實際相差也越大。

5）雙針尖或多針尖效應，如圖5，由于探針的針尖損壞或者污染，使AFM圖像出現成對或多個有規律的出現，可以判斷有可能是假象。

圖1 探針針尖示意圖

圖2 樣品表面截面（上）與AFM圖像中發生的針尖效應示意圖（下）

圖3 探針曲率半徑越大，橫向展開效應越明顯

圖4 探針的曲率半徑大于溝壑的直徑，發生明顯的溝壑效應

圖5 由于探針污染或者損壞導致AFM圖像的歪曲

2 結束語

AFM形貌表征過程中，由于探針的針尖效應，容易出現假象，有時假象比較細微，較難判斷。探針的針尖效應，在實際表征中，可以理論上指導我們，如何選擇合適的探針，探針的曲率半徑越小，AFM圖像的橫向分辨率越高。AFM假象的出現，很多時候是由于探針損壞或者由于探針針尖附著上小顆粒被污染，所以，很有必要保持AFM工作室與樣品表面的潔凈從而減少探針針尖的人為污染，從而提高成像質量。

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