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基于原子力显微镜
目 录
中文摘要及关键词．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
前言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
1 原子力显微镜（AFM）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
1.1 AFM的物理基础．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
1.2 原子力显微镜的成像原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
1.3 原子力显微镜的主要构件和性能．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.3
1.3.1 激光器单元．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
1.3.2 微悬臂单元．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
1.3.3 压电扫描单元．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
1.3.4 光电检测与反馈单元．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
1.4 原子力显微镜的成像模式及特点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
1.4.1 接触模式(Contact Mode)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
1.4.2 非接触模式(Non-contact Mode)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
1.4.3 轻敲模式(Tapping Mode)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
1.5 原子力显微镜的功能．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
1.5.1 表面形貌的表征．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
1.5.2 表面物化属性的表征．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
1.5.3 AFM的功能拓展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
1.6 原子力显微镜的优点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
1.6.1 高的空间分辨率．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
1.6.2 广泛的试验对象．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
1.6.3 简单易行的制样过程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
1.6.4 多样的试验环境．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
2 利用 AFM 对 ZnO 薄膜表面形貌进行研究．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
2.1 ZnO 的基本结构、特性及用途．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
2.2 ZnO 薄膜的制备．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
2.3 用 AFM 对样品进行扫描．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
2.4 利用AFM离线软件系统对扫描图像进行处理及分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
2.4.1 AFM 离线软件系统简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
2.4.2 扫描图像的处理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
2.4.3 扫描图像的分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
3 结论与展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
英文摘要及关键词．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
基于原子力显微镜（AFM）的ZnO薄膜表面形貌研究
摘要：本文简述了原子力显微镜探测物体表面形貌的基本原理，具体地介绍了原子力显微镜4大核心构件的性能：激光器、微悬臂、压电扫描器、光电检测器；简单介绍了该仪器探测运行的3种模式：接触模式、非接触模式、轻敲模式，并指出了轻敲模式的独到之处；强调了原子力显微镜所能进行的参数分析和数据处理功能，同时将原子力显微镜同其它表面探测仪器进行了比较，突出了原子力显微镜的优越性。 ZnO 薄膜作为1种新功能材料，具有广阔的应用前景，研究 ZnO 薄膜表面形貌的特征具有非常重要的意义。本文利用原子力显微镜研究了 CVD 法制备的 ZnO 薄膜的表面形貌特征，包括结晶取向、表面缺陷、表面平整度、表面粗糙度、颗粒大小、颗粒形状及其分布状况等，同时也对原子力显微镜的图像处理及分析软件系统的1些功能作了简要的介绍。
关键词: 原子力显微镜（AFM）；ZnO 薄膜；表面形貌；图像分析
Study on the surface topography of ZnO thin films
by Atomic Force Microscope (AFM)
Abstract：This paper has introduced the basic principles of Atomic Force Microscope (AFM) in detecting the surface topography of samples shortly, and has reviewed the properties and functions of the four key components of AFM such as Laser, cantilevers, piezoelectric scanner and photoelectric diode concretely. It has also expatiated three kinds of running modes of this equipment such as contact mode, non-contact mode and tapping mode in details, and has given the unique point of tapping mode, and has stressed on the idiographic function of the instrument’s parameter-analysis and data-processing, and has given prominence to the superiority of AFM according to the comparison and analysis between AFM and other surface detectors. ZnO is a new function material which will be widely used in the future. So studying the surface topography of ZnO thin films has great value. In this paper, ZnO thin films are prepared by CVD method, and the properties of their surface topography have been studied completely by AFM, including the direction of the grain growth, surface deficient, surface flatness, surface roughness, the magnitude of grains, the shape and distribution of grains. And this paper has also introduced some functions of the image managing and analyzing software system shortly.
Key words：Atomic Force Microscope (AFM); surface topography; ZnO thin films; image analysis
前言
显微观测技术是人类视觉感官功能的延伸与增强，以光学显微镜、电子显微镜为代表的1系列先进显微技术的出现与应用，为人类科技和社会的进步做出了巨大贡献。然而1切都还没有结束，科技是无止境的。
1982年，IBM 公司苏黎世实验室的 G.Binning 和 H.Rohrer 发明了世界上第1台扫描隧道显微镜( Scanning Tunnelling Microscope，简称 STM )。STM 仪器能够提供人们前所未有的高空间分辨率，利用 STM，人类有史以来第1次在实空间观察到了原子的晶格结构图像，为人类认识微观世界的奥秘提供了有力的观察和研究工具。扫描隧道显微镜以它优异的功能激起各国学者的极大关注，在它出现后的几年中，已经在物理学、材料科学、光电子学和微电子技术等领域中得到广泛应用。但是，STM 的工作原理要求样品必须是电的良导体，所以它只能用于研究导体和半导体材料。而大部分的材料是不导电的，在研究它们时必须在样品表面覆盖1层导电薄膜。这既大大地增加了制样的难度，而且在很大程度上损失了样品的细节信息[1]。
科技的进步往往是在对问题的不断解决中实现的。1986年，IBM 公司的 G.Binning 和斯坦福大学的 C.F.Quate 及 C.Gerber 合作发明了原子力显微镜( Atomic Force Microscope，简称 AFM )，它是在扫描隧道显微镜基础上，为了能够直接观察和研究非导电材料的表面形貌，经过改进而发展起来的分子和原子级显微工具。其不仅能从原子尺度上对导体、半导体表面进行成像，而且能获得诸如玻璃、陶瓷等非导电材料的表面形貌，并能在真空、大气和水中无损地直接观察物体, 特别是能应用于生物样品，可以进行活性的动态研究，几乎无需进行样品制备，因此是对 STM 应用的强有力发展。与此同时，扫描探针显微技术也得到了蓬勃发展，相继诞生了1系列在主要结构和工作方式上与 STM 和 AFM 相类似的显微仪器，例如，横向力显微镜( LFM )，磁力显微镜( MFM )等仪器技术，形成了1个扫描探针显微镜( SPM ) 家族。AFM 无疑是 SPM 家族中应用领域最为广泛的表面观察与研究工具之1。对比于现有的其它显微工具，原子力显微镜以其高分辨率、制样简单、操作易行等特点而备受关注[1,2]。
近年来，由于光电子器件潜在的巨大市场，使光电材料成为研究的重点，其中 ZnO 薄膜材料的研究是光电领域中国际前沿课题的热点。如何提高异质外延生长的 ZnO 薄膜的晶质是当前这1国际热点课题中的关键问题之1。现在用 AFM 观测 ZnO 生长过程中几个主要阶段的表面形貌来探求优化工艺与改善晶质的方法，是1个前沿性课题。分析晶粒生长取向、大小、分布状况等工作有利于研究 ZnO 的微观生长机理， 改善晶质。为优化生长工艺提出建议是目前 ZnO 薄膜制备研究的1个方向，相对于其它常规显微镜 AFM 在这方面起着举足轻重的作用[3,4]。
本文简述了AFM 探测物体表面形貌的基本原理，阐述了AFM 的主要构件、工作模式、功能及相对于其它显微镜的优点；并利用原子力显微镜在常温、常压及大气氛围下采用轻敲模式扫描出 ZnO 薄膜表面形貌图，然后利用 AFM 图像处理及分析软件对扫描图像进行处理及分析，从而得到了 ZnO 薄膜表面形貌的特征，体现了AFM 在研究材料表面形貌方面的优越性。
1 原子力显微镜（AFM）
1.1 AFM 的物理基础
所谓原子力显微镜就是利用原子间的作用力来达到观察目的的显微镜。图 1 示出针尖与样品原子间作用力的情况。基本上是两类相互作用，即短程的斥力（兰紫色）和长程的吸引力（绿色）（见图1（a））。在针尖与样品间距稍大（>1 纳米）的情况下，以吸引力为主，包括范德瓦尔斯力，化学键力，万有引力，粘附力等；在间距小于1 纳米时，以斥力为主，有静电力，磁力等(见图1（b）)。
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