基于超平表面的原子力顯微鏡探針磨損研究

柯丁寧,況 婷,宋琳琳,黃夢詩,高 尚

(1.哈爾濱工業大學(深圳) 實驗與創新實踐教育中心，廣東 深圳 518055；2.哈爾濱工業大學(深圳)材料科學與工程學院，廣東 深圳 518055)

與電子顯微鏡相比，原子力顯微鏡(AFM)不但具有較高的分辨率，還能在空氣、真空與液體環境中觀察原子或分子形成的三維圖像，實時反應微觀物質的真實形貌與結構[1-3]。友好的測試環境使得AFM成為材料科學、表面科學、電化學、生物及測量學中最流行的研究手段之一[2,4]。AFM通過探針針尖原子與樣品表面產生的作用力(低至pN)的變化來反映樣品表面的形貌信息[5],其測量結果體現的是探針針尖與樣品表面形貌的卷積效應[2-3]，所以探針針尖的尖銳狀態是獲得樣品真實形貌的重要條件之一[2,6]。

目前，探針磨損研究作為AFM技術的一個新熱點得到了廣泛關注。為了研究探針針尖磨損過程，一些學者致力于研究各種探針材料的磨損機理[7-10]。Su等提出以估算探針半徑(ETD)的方法來評估探針磨損效率[3]。隨后Huang等發現被測材料表面的粗糙度也能作為評估探針磨損效率的指針，同時證實材料表面粗糙度數值與估算探針半徑數值有較好的相關性[6]。新材料與新技術也被運用于提高探針耐磨損性能的研究，如將更加耐磨的材料(如類金剛石)覆蓋到探針表面，從而提高探針的耐磨損性能[9,11];碳納米管直徑較小，覆蓋到探針針尖時既能反映樣品表面的細節形貌，也具有較高的耐磨損性能[12]。然而將新的技術或新材料引入商業化探針制造勢必會增加探針的價格，從而限制AFM測試技術在科學研究中的廣泛應用。AFM的測試參數是另一個影響探針磨損的重要因素，然而該方面的研究極為有限[2-3]。Su等僅研究了AFM測試掃描過程中參數對探針磨損的影響，而忽略了下針過程中參數的影響[3]。Xue等利用圖片質量因子的方法研究了測試參數在輕敲模式中對探針磨損的影響，發現掃描速度和積分增益能夠明顯影響探針磨損。但圖片質量因子計算相對復雜，對樣品表面形貌均一性要求較高，因而應用受限[2]。

商業化探針的針尖曲率半徑一般小于10 nm，僅在測試材料具有納米級表面形貌時，探針針尖磨損產生的展寬效應才會顯著影響AFM測試所反映的材料表面形貌[9,12-14]。本文首次采用具有納米結構的超平玻璃表面(粗糙度Rq<0.5 nm)作為測試對象，利用樣品表面測試所得粗糙度(Rq)信息作為探針磨損指針，考察整個測試過程的探針懸臂目標振幅比例、反饋回路的設定值比例、掃描速度、比例增益和掃描次數對探針針尖磨損效率的影響。最后通過連續測試實驗和探針針尖掃描電鏡圖片推測出探針針尖的磨損機理：探針先斷裂破損然后逐漸磨損，最后探針半徑變大。

1 實驗材料與設備

超平玻璃(Rq<0.5 nm,日本Hoya公司)；Dimension 5100Atomic Force Microscope(AFM，德國Bruker公司)；ACT單晶硅探針(Tip ROC=6 nm,Tip height=14～16 μm，Cantilever f =300～400 kHz,美國Appnano公司)；Magellan Scanning Electron Microscope(SEM，美國FEI公司)。

2 結果與討論

2.1 探針懸臂目標振幅比例的影響

本文研究了下針過程中不同的探針懸臂目標振幅比例(Target amplitude ratio=Target amplitude/ free amplitude，TAR)對探針磨損的影響。結果發現，樣品測試Rq隨著TAR的增加而下降。當TAR從10%上升到50%時，Rq值從0.32 nm下降至0.30 nm。當TAR上升到50%后,Rq下降的趨勢明顯增大。而當TAR上升到100%,Rq劇烈下降至0.25 nm。該測試Rq的標準偏差為0.005 nm左右，重現性較好，說明AFM測試環境噪聲水平較低。樣品測試Rq隨著TAR的增加而下降，說明探針針尖的磨損隨著TAR的增加逐漸增大，這可能與探針針尖接觸樣品時的速度增大有關[3]。

圖1 反饋回路設定值比例對測量Rq的影響Fig.1 Effect of set-point amplitude ratio on the change of Rqthe error bar data represent the standard deviation of the three error signal values

2.2 反饋回路設定值比例的影響

圖1為下針過程中探針懸臂不同反饋回路設定值比例(Set-point amplitude ratio=Set-point amplitude/free amplitude，SPAR)下樣品測量Rq的變化趨勢。隨SPAR的遞增，Rq出現先下降后增加的趨勢[6]。當SPAR為50%時，測量Rq達到最低值0.27 nm。而當SPAR由50%增加到90%時，測量Rq由0.27 nm增加到0.31 nm。圖1中Rq的標準偏差為0.005 nm左右，數據重現性較好。

隨著SPAR的增大，樣品的Rq值先減小后增大，說明探針針尖的磨損呈現先增大后減小的趨勢。這可能與探針懸臂SPAR影響探針針尖接觸樣品表面的作用力有關[3-5]。 Ancykowski、Tamayo和Garcia等學者利用不同的模型模擬了探針的撞擊過程，發現在掃描過程中，隨著SPAR增加，探針所受撞擊力增加;當撞擊力達到最大后，隨著SPAR增加，探針所受撞擊力減小[15-16]。這與圖1觀察到50%SPAR下具有最高的探針針尖磨損效率一致。此外，較低的SPAR下誤差信號增長率較高，這樣能增加反饋回路的帶寬，提高反饋回路反應速度，減小探針針尖由于失去控制產生磨損的幾率[5,15-16]。

2.3 掃描速度的影響

線掃描點和掃描速度是掃描過程中需要設定的兩個重要測試參數。線掃描的點數越多，圖片越精細，能夠體現的細節越多，但是耗費的時間越長。為了更好地體現超平材料的細節部分，本文選用512的線掃描點[17]。

掃描速度(Scan rate,SR)是掃描器在XY方向移動的速度。SR除了影響掃描時間外，對樣品測量Rq值也有一定影響。當SR從1.0 Hz增加到2.0 Hz時，樣品測量Rq從0.33 nm下降到0.30 nm[17]，說明增加SR能加劇探針針尖磨損。隨著SR數值增加，探針與樣品表面接觸時探針針尖在掃描方向的橫向摩擦力動能增加,這種磨損被Xue等學者歸結為低循環疲勞磨損[2]。

圖2 I-gain值對測量Rq的影響Fig.2 Effect of I-gain on the change of Rqthe error bar data represent the standard deviation of the three error signal values

圖3 測量Rq的連續測試變化曲線Fig.3 The change in the Rq as the function of scanning timesA.standard test,TAR=10%,SPAR=10%;B.scanning test,TAR =10%,SPAR =10%;C.standard test,TAR =90%,SPAR =50%;D.scanning test，TAR =90%，SPAR =50%;the error bar data is the standard deviation of the three test values

2.4 比例增益的影響

在輕敲模式中，反饋系統中的比例增益(P-gain)和積分增益(I-gain)是主要反映反饋速度的掃描參數。相對P-gain,本文選擇對誤差振幅調節更為靈敏的I-gain[2]進行考察。

將P-gain的值選定為2.5，考察I-gain對樣品測量Rq的影響。圖2中誤差信號的標準偏差為0.04 mV左右。隨I-gain的增加，樣品測量Rq出現先增大后減小的趨勢。I-gain值為1.7時，樣品測量Rq達到最大值0.32 nm。當I-gain值較小時，反饋系統反應較慢，在較短的反饋時間內很難將探針振幅恢復到設定振幅，從而造成測量時振幅誤差較大。而I-gain值過大時，反饋系統易產生較大系統噪音，同樣導致探針懸臂振幅誤差增大。而探針振幅誤差越大，反饋系統控制探針的能力越小，由于反饋系統失去控制引起探針針尖的磨損越大。故適中的I-gain值為1.7。

2.5 掃描次數的影響

本文在首次測試中設置下針過程，后續測試僅保留掃描過程(掃描測試)，發現連續標準測試條件下測量Rq曲線下降的幅度比連續掃描測試測量Rq曲線大。這說明下針過程將顯著增加探針針尖的磨損。圖3是兩種模式下連續測試樣品的Rq曲線，其數值重現性較好，標準偏差為0.004 nm左右。

圖4 探針針尖標準測試后SEM圖片Fig.4 SEM images of AFM probe after standard testA.raw probe；B.TAR=10%,SPAR=10%,scan time=1；C.TAR=10%,SPAR=10%,scan times=84；D.TAR=90%,SPAR=50%,scan times=21

在TAR和SPAR為10%的條件下，第1次測試樣品的測量Rq為0.33 nm，此時探針針尖尖銳(圖4B)。隨后連續83次測試的Rq值保持在0.32 nm左右(圖3A)。這可能與該過程中探針針尖受到的力較小，不足以破壞探針針尖有關[18-19]。Chung等利用高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)研究單晶硅探針的磨損機理時發現，垂直載荷力小于5 nN時不會破壞探針最外層氧化物薄膜結構[15]。第84次測試的測量Rq急劇下降至0.29 nm，說明探針針尖開始出現明顯的磨損。通過SEM發現此時探針針尖出現了缺口，證實探針的磨損從針尖斷裂破損開始(圖4C)[8]。在TAR為90%和SPAR為50%的測試條件下，連續測試的測量Rq劇烈下降，第21次標準測試的Rq為0.21 nm。在圖4D中觀察到此時探針針尖尖端完全消失，頂部呈圓錐形。這與Vahid等觀察到的SiNx負載的AFM探針磨損后的形貌相似[8]。這一現象與Ramos等發現的硅探針針尖先斷裂破損，然后逐漸磨損，最后探針半徑變大[13]的磨損機理一致[13]。

3 結 論

首次選用Rq小于0.5 nm的超平材料作為測試材料，利用材料表面的粗糙度(Rq)作為探針針尖磨損效率的指針，研究了下針過程和掃描過程的4個主要參數對探針針尖磨損的影響。與樣品表面接觸時，在TAR和SPAR均為10%條件下，探針針尖速度較小，受到較小作用力，因而磨損較小。當SR=1.0 Hz時，探針針尖受到掃描方向的橫向拖拽力小,也能減小探針磨損效率。適中的I-Gain(1.7)值導致較小的誤差振幅，增加了反饋系統對探針的控制能力，減小了探針針尖的磨損。通過對比不同掃描次數的探針針尖的SEM圖片推測出探針的磨損機理，即針尖先斷裂破損，之后逐漸磨損，最后探針半徑變大。