采用自感應探針的原子力顯微鏡教學儀器

丁喜冬,蔡志崗,趙亮兵

(1.中山大學 物理學院，廣東 廣州 510275；2.廣州中源儀器技術有限公司，廣東 廣州 510275)

原子力顯微鏡(Atomic force microscope, AFM)被稱為納米科技的“眼睛和手”，是納米尺度物性測量中不可或缺的科學儀器，在物理、化學、材料、生物、醫學等研究領域和工業領域得到了廣泛的應用[1]. 目前，國內外已有許多高校陸續開設了基于AFM儀器的本科實驗項目[2-12]. 然而，AFM屬于精密科學儀器，國內外已有的AFM儀器產品主要面向科研或工業應用，其操作復雜，對實驗人員要求較高，難以直接應用于本科實驗教學. 因此有必要研發AFM教學儀器,滿足本科實驗教學的需求.

AFM通常使用一端固定而另一端帶有針尖的彈性微懸臂來檢測樣品表面的形貌或性質. 掃描樣品時，針尖與樣品間的相互作用力會引起微懸臂形變，通過檢測微懸臂的形變量，可獲得作用力的分布信息，從而以nm級甚至原子級分辨率獲得樣品表面形貌的信息[1]. 目前，AFM產品通常使用基于激光位置檢測的微懸臂探針. 由于探針的微懸臂很微小(微懸臂長度一般在幾十到幾百μm)，且光路系統處于儀器內部難以觀察到，光路系統的調節對于初學者來說較為復雜，嚴重影響了AFM實驗的教學效果.

近年來，采用石英音叉的自感應探針在AFM中得到廣泛的應用. 石英音叉本身的壓電效應可完成機械振動與電信號的轉換，因此檢測微懸臂的形變量不需要經過光杠桿放大，避免了繁瑣的光路校準過程. 采用石英音叉的自感應探針可以由商業化的批量生產工藝制作，例如Nanosensor生產的帶U型懸臂的石英音叉型自感應探針(Aikyama-Probe)[13]. 石英音叉自感應探針也可在實驗室自行制作，其金屬針尖可采用電化學腐蝕方法制備. 劉雷華等人采用自感應探針開發了AFM的測頭并實現了AFM的形貌成像[14]. 黃強先等人實現了石英音叉掃描探針顯微鏡的測量成像[15]. 李英姿等人采用自感應探針研發了用于本科實驗教學的AFM實驗裝置的原型樣機[16]. 然而，目前未見采用自感應探針的AFM教學儀器的產品，相關實驗項目和教學內容也有待進一步研究與優化.

本文采用基于石英音叉的自感應探針研發的AFM教學專用儀器，原理清晰、操作簡單，降低了儀器成本和操作難度，更加契合本科實驗教學的要求，并采用該儀器設計了相關的實驗項目和教學內容，可進一步提升本科實驗的教學效果.

1 自感應探針AFM的工作原理

石英音叉是利用石英晶體的壓電效應而制成的諧振元件，具有較好的頻率穩定性，同時也具備較高的品質因數(即Q值). 若在石英音叉前端粘上極細的針尖，則針尖受到力時會引起石英音叉本征頻率的變化，因此石英音叉可用做AFM中的力傳感器[13-16]. 基于石英音叉的自感應探針可替代傳統的基于激光檢測的微懸臂探針，用于研發新型的AFM儀器. 音叉型自感應探針具有自激發和自檢測的特點，不需要使用微懸臂形變的光學檢測系統，因而具有結構簡單、使用方便的特點，適合用于AFM教學儀器的研發.

1.1 商品化的石英音叉自感應探針

AFM教學儀器使用的自感應探針是已商品化的、帶U型懸臂梁的音叉型自感應探針(Akiyama-Probe，制造商：Nanosensors)，其結構、叉股和U型懸臂梁如圖1所示[13]. 這種探針的針尖采用微加工工藝制備，當音叉叉股在向內或向外的方向運動時帶動U型懸臂梁前端的針尖在垂直方向振動. 本文設計的AFM實驗儀器的基本教學實驗項目使用這種探針. 然而，這種自感應探針價格較為昂貴，且除了形貌成像外不能用于導電性等特殊的測試或實驗.

(a)結構示意圖

1.2 自制針尖的石英音叉自感應探針

AFM教學儀器使用的另一種音叉型自感應探針是采用金屬針尖的AFM探針[15-16]. 這種針尖及整個探針可在實驗室自行制作. 金屬針尖通常采用直徑為50～100 μm的鎢金屬絲經電化學研磨方法制備，其長度可達數百μm，有利于對較高的微臺階進行測量成像. 圖2(a)是沒有粘接針尖的石英音叉的實物照片，圖2(b)是粘有1個鎢針尖的石英音叉自感應探針的實物照片. 通過對音叉叉股進行再平衡可進一步提高石英音叉的自感應探針的品質因數[16]，具體實現方法為在石英音叉的2個叉股上對稱地粘上鎢針尖. 圖2(c)是粘有2個鎢針尖的石英音叉自感應探針(即再平衡結構的鎢針尖自感應探針)的實物照片. 自制AFM自感應探針主要用于AFM教學儀器的擴展實驗.

(a)原始石英音叉

1.3 自感應探針AFM的工作原理

自感應探針AFM的工作原理如圖3所示. AFM主要由用于力檢測的傳感探針、反饋控制系統、壓電掃描系統、探針和樣品的位置粗調系統以及計算機數據處理與顯示系統等組成. 與基于激光檢測原理的原子力顯微鏡不同的是，音叉型自感應探針可以采用自激發和自檢測的傳感方式，AFM的形貌成像采用“頻率調制”的控制方式. 力的檢測采用鎖相技術直接測量得到探針振動頻率及其變化，并且以此計算出針尖所受力的梯度. 掃描成像時，通過反饋系統輸出對樣品高度的控制信號，以保持針尖所受力梯度的恒定，這樣便可以根據該高度控制信號構建出樣品表面形貌的圖像.

圖3 自感應探針AFM的工作原理

2 AFM教學儀器的功能及實現

2.1 AFM教學儀器的結構與功能

AFM教學儀器主要包括主機、控制器、計算機及控制軟件、輔助觀察光學顯微鏡以及隔音隔振系統等組成模塊. AFM教學儀器的主機如圖4所示，包含了主機底座和主機探頭2部分. 主機底座上中心位置附近設有樣品臺，樣品臺的位置在水平方向可手動調節. 樣品臺安裝在壓電掃描管上，通過控制壓電掃描管的電壓可以控制樣品的空間位置. 主機探頭配置了探針架，探針針尖位于樣品上方，同時主機探頭設置了探針的前置電路. 主機探頭由主機底座上的3個絲桿支撐，控制絲桿的升降即可實現探針和樣品在垂直方向的位置粗調，并實現探針與樣品的自動逼近.

1.主機探頭 2.探針架 3 探針和樣品的觀察窗口 4.激光位置的調節旋鈕 5.主機底座 6.樣品位置的調節旋鈕 7.探測器位置的調節旋鈕圖4 AFM教學儀器的主機結構

AFM教學儀器配置2種自感應探針的探針架，分別用于安裝商品化的自感應探針(Akiyama-Probe)和自制金屬針尖的自感應探針. 自感應探針通過“自激發”和“頻率調制”可實現形貌成像和力梯度-距離曲線的測量. AFM教學儀器通過替換探針架可兼容使用激光檢測型AFM探針，并實現接觸模式和輕敲模式的形貌成像.

2.2 自感應探針的前置電路

前級驅動電路是靠近石英音叉探針且處于測量儀器最前端的電路，負責激勵信號的輸入和響應信號的輸出. 前級驅動電路具體可以劃分為前級衰減電路、電容補償電路和電流-電壓轉換電路3部分，如圖5所示，圖中運放OP的型號均為AD712.

圖5 自感應探針的前置電路

在激勵信號輸入到音叉探針之前，需要先通過前級衰減電路對其進行10∶1的衰減. 這是因為石英音叉的Q值較大，受電信號激勵時的響應幅度較大,容易導致探針被損壞.

音叉的壓電效應使機械振動轉換為電流信號. 為了更有效地傳輸信號，電流信號需要轉換成電壓信號. 石英音叉探針在共振頻率處有數十到數百nA級的電流輸出. 采用阻值較大電阻的運放電路實現電流-電壓轉換，可輸出數百mV的電壓信號.

寄生電容會使音叉探針在工作時泄漏額外的交流信號，從而干擾頻率響應的測量結果. 在理想情況下，音叉以共振頻率工作，發生RLC諧振，幅頻曲線為對稱尖峰，相頻曲線則單調遞減.然而寄生電容效應會很大程度破壞音叉的幅頻特性和相頻特性.在共振頻率附近，探針的幅頻曲線不對稱，最大振幅減小，從而導致探針的Q值明顯減小，輸出信號反映樣品表面特性的敏感度也降低.

用反向可調的電壓信號通過補償電容可以抵消寄生電容的影響. 具體做法是使激勵信號通過反相放大電路，調節圖5電容補償電路中的等效可調電阻RW1進行程控增益，之后與經過石英音叉的輸出信號進行疊加，用以抵消通過寄生電容傳遞的信號.

2.3 自感應探針的自激發電路與頻率調制

由于音叉本身的頻率穩定性好，共振時信號有較大的振幅，適合采用自激發的驅動方式. 經過處理后自激發電路將探針的響應信號轉換為探針所需要的激勵信號，實現探針的穩定驅動. 自激發電路環路分為驅動部分和反饋部分，如圖6所示. 通過反饋控制激勵信號的振幅和相位，使激勵信號處于恒定振幅狀態，實現電路閉環穩定工作.

自激發電路可以同時實現自感應探針機械振動的頻率調制，這時石英音叉探針相當于選頻網絡. 在圖6所示電路工作時，如果電路中存在探針共振頻率的信號，則其他頻率的信號能夠被抑制，系統穩定閉環工作，這是自激發電路穩定工作的幅值條件.即自激發電路穩定工作時，電路振蕩的信號頻率ω總是等于自感應探針的本征機械振動的頻率ω0.當探針的針尖受到外力作用時，探針的本征機械振動頻率ω0會發生變化，因此自激發電路中的信號頻率ω反映了傳感探針的受力情況，這樣就實現了針尖與樣品之間相互作用力的頻率調制信號輸出.為了便于測量Q曲線并且調節探針特性，自感應探針采用外加的電信號激發其機械振動，利用測頻電路測量其振動頻率.

圖6 自感應探針的自激發環路

3 實驗內容及測試結果

3.1 實驗內容

采用AFM教學儀器的實驗可分為基本實驗和擴展實驗.

基本實驗包括5個實驗項目：基于自感應探針的AFM操作實驗，自感應探針的特性調節，AFM形貌成像，力-距離曲線測量，AFM數據處理分析. 其中AFM數據處理分析實驗主要利用AFM專用軟件的圖像數據分析功能對圖像進行變換和去噪，對樣品的形貌或者物性進行定量分析，如頻譜分析、粗糙度分析、納米微區的黏彈性分析等. 基本實驗能滿足6學時實驗教學的內容需求.

擴展實驗內容包括3個實驗項目：自制AFM自感應探針及其應用實驗，激光檢測探針的AFM形貌成像實驗，基于AFM的納米操縱應用實驗. 擴展實驗內容可供實驗能力較強的學生選做，或作為相關的開放性實驗、綜合性實驗、創新性實驗或研究性實驗.

3.2 自感應探針的AFM操作實驗

自感應探針AFM教學儀器的原理和操作與激光檢測型AFM相近. 由于不需要進行光路調整，安裝探針后的實驗操作步驟大為簡化，因此可以顯著提升學生實驗的效率和效果. AFM教學儀器采用菜單式操作界面，在安裝好探針和樣品后，依次點擊用戶控制軟件上的設置、調節、逼近以及掃描、測量、操縱等快捷按鈕，按屏幕提示進行操作即可完成實驗，并且掃描得到樣品表面的形貌圖像.

圖7所示是用戶控制軟件的“逼近”功能模塊的操作界面，該模塊主要實現探針和樣品在垂直方向上距離的控制與調節，使探針和樣品保持原子之間的接觸或存在一定的相互作用力.

圖7 AFM教學儀器“逼近”操作的用戶界面

3.3 AFM自感應探針的特性調節

實驗內容包括AFM自感應探針的Q曲線測量和音叉探針寄生電容的補償調節. 通過測量Q曲線可獲得AFM自感應探針的頻率特性，從而選擇最佳的工作參量. 由于不同石英音叉的特性參量存在差異，其寄生電容也存在差異. 對于工作在不同本征機械共振頻率的自感應探針，需要單獨進行寄生電容的補償調節.

圖8所示為商品化自感應探針(Akiyama-Probe)經過補償調節后的Q曲線測量結果.

圖8 商品化自感應探針Q曲線測量的界面

3.4 自感應探針的AFM形貌成像

該實驗的主要目的是采用商品化的自感應AFM探針掃描獲得AFM形貌圖像. 軟磁盤作為樣品的形貌掃描代表性測試結果如圖9所示，其中圖9(b)是對9(a)中紅框內區域重新掃描得到的形貌圖.

(a)28 μm×28 μm

3.5 力-距離曲線測量

采用自感應探針AFM獲得典型的頻移-距離曲線如圖10所示. AFM教學儀器中自感應探針采用頻率調制方式，即探針所受到的力梯度引起探針本征機械振動頻率的變化. 圖10所示的頻移-距離曲線可等效變換為力梯度-距離曲線. 利用力梯度-距離曲線可以進一步分析得到被測樣品在nm尺度的黏彈特性.

圖10 典型的頻移-距離曲線

3.6 自制AFM自感應探針及其應用

AFM教學儀器可用于開設制作自感應探針及其形貌掃描應用的實驗項目. 自感應探針的制備通常采用鎢絲為材料，通過電化學修飾制備出曲率半徑為10～30 nm的尖銳前端. 探針特性是決定AFM形貌掃描成像品質的主要因素，其性能與弱信號檢測、鎖相技術等緊密相關.

基于自制AFM自感應探針的應用實驗內容與商品化AFM自感應探針相似，可包括石英音叉寄生電容的補償調節、形貌成像等. 圖11所示為自制的采用再平衡結構鎢針尖的AFM自感應探針在補償調節前后的Q曲線的測試結果.

圖11 自制鎢針尖自感應探針的Q曲線

3.7 激光檢測探針的AFM形貌成像

激光檢測探針的AFM形貌成像實驗包括接觸模式和輕敲模式2項實驗內容. AFM教學儀器包含了傳統的AFM實驗儀器(基于激光檢測微懸臂探針)的所有部件和功能，因此也可用于開設基于傳統AFM實驗儀器的所有實驗內容. 在AFM教學儀器上用軟磁盤作為樣品掃描得到的AFM的接觸模式和輕敲模式的形貌圖像如圖12所示，其掃描范圍約為5 μm×5 μm.

4 結 論

將基于石英音叉的自感應探針作為AFM中的力傳感探針，實現了音叉型自感應探針的自激發、自檢測和頻率調制的測量成像，力測量的物理原理更加清晰. 采用自感應探針研發的AFM教學儀器具有結構簡單、使用方便等優點，能夠顯著降低AFM教學儀器的操作難度，契合本科實驗教學的要求. 基于該AFM教學儀器設計了面向物理類專業學生的5個基本實驗項目，適合在近代物理實驗課程中開設AFM教學實驗. 同時也設計了可用于綜合性、開放性、創新性或研究性教學的3個擴展實驗項目，從而解決了AFM本科實驗教學內容較少的問題，并提高了教學儀器的使用率.