第2章

原子力顯微鏡基本原理

(Atomic Force Microscpoic：AFM)

AFM簡介

奈米技術(Nanotechnology) 是指在奈米尺度(1nm到10nm之間)上研究物質(包括原子及分子的操縱) 的特性和相互作用，目標是利用原子、分子及物質在奈米尺度上所表現出來的物理、化學及生物學的特性，製造出具有特定功能的產品。

而為了要製造與量測奈米元件或結構目前應用最多的即是掃描式探針顯微鏡，掃描探針顯微鏡最初是對量子力學中真空穿隧現象(vacuum tunneling)的研究開始，因此第一台真正達到原子解析度的掃描探針顯微鏡，是Binnig與Rohrer於1982年利用PZT進行微位移掃描，同時測量真空穿隧電流的大小而完成，其基本成像原理如圖2-1所示，乃是利用一支極小的探針去感應試片的物理場變化情況而描繪出試片表面的輪廓與形貌(3D Mapping) ，而利用不同物理場所描繪成的不同圖像，就可應用於不同研究領域，所以至今由掃描式探針顯微術為核心所發展的技術不斷的推陳出新，這也讓它成為奈米科技發展時不可缺少的重要儀器。

圖2-1掃描式探針顯微鏡基本成像原理[1]

掃描探針顯微技術（Scanning Probe Microscopy：SPM）係指具有『掃描機制與動作』及『微細探針機制』的顯微技術；而原子力顯微鏡（1986年誕生）為掃描探針顯微技術（SPM）的代表儀器，其在科學上的應用已非侷限於奈米尺度表面影像的量測，更廣為應用於探索奈米尺度下，微觀的物性（光、力、電、磁）量測，對奈米科技有直接的助益。AFM是由Binnig等人於1986年所發明的，具有原子級解像能力，可應用於多種材料表面檢測，並能在真空、氣體或液體環境中操作(圖2-2)。AFM之探針一般由成份為Si或Si3N4懸臂樑及針尖所組成，針尖尖端直徑介於20至100nm之間。主要原理係藉由針尖與試片間的原子作用力，使懸臂樑產生微細位移，以測得表面結構形狀，其中最常用的距離控制方式為光束偏折技術。AFM操作模式可區分為接觸式（contact）、非接觸式（non-contact）及間歇接觸式（或稱為輕敲式，intermittent contact or tapping）三大類，不過若要獲得真正原子解析度，必須以非接觸式的操作模式在真空環境下方能得到。目前原子力顯微鏡（AFM）的應用範圍十分廣泛，包括表面形貌量測、粗糙度分析及生醫樣品檢測等。

 圖2-2 原子與原子之間的交互作用力因為彼此之間的距離的不同而有所不同，其之間的能量表示也會不同

    而掃描式探針顯微鏡在量測時利用探針與樣品表面間各種不同型式的交互作用，諸如凡得瓦力、靜電力、靜磁力、表面阻力等不同物理場，因而發展出原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)，靜電力顯微鏡，(Electric Force Microscope, EFM)，磁力顯微鏡(Magnetic Force Microscope, MFM)、側向力顯微鏡(Later Force Microscope, LFM)….等。其偵測之物理量與皆析度和儀器名稱如表2-1所示。本文逐一介紹如後。

表2-1 SPM家族[1]