如何识别AFM成像过程中典型的针尖效应

吴海华 彭明发 何小蝶

（1.苏州大学功能纳米与软物质研究院，江苏 苏州215123；2.苏州大学纳米科学技术学院，江苏 苏州215123）

原子力显微镜（Atomic Force Microscopy,AFM）是一种可以获得样品形貌极高放大倍数的测量技术[1-4]，不同于光学显微镜及扫描电子显微镜，AFM的分辨率不是依赖于光束或电子束的波长决定的，AFM图像是利用超细的探针在样品的表面通过机械扫描获得的，成像质量的高低，很大程度上由于探针的形状决定的[5-10]。本文主要讨论AFM成像过程中探针的针尖效应对成像质量的影响。

1 讨论

AFM图像是探针与样品表面形貌卷积的结果，图像质量很大程度上是由探针的几何形状决定的，为了理解AFM图像形成过程及与真实图像的差别，需要了解扫描探针的针尖效应。扫描探针的针尖有两个重要的物理量，分别是曲率半径（Radius of curvature）与侧壁角（Sidewell angle）如图1所示，针尖的曲率半径决定了AFM图像的分辨率，侧壁角影响陡坡图像的精度，下面主要从五个方面讨论针尖效应对AFM成像的影响。

1）针尖的横向展宽效应，如图2的上表面的宽度比实际的宽度要宽，图3中，不同曲率半径的探针横向展宽效应不同，曲率半径大的探针，横向展宽效应越明显。

2）边缘效应，如图2B，D位置，真实中棱角分明的形状变的圆润，棱角越分明，针尖曲率半径越大，边缘效应越明显。

3）陡坡效应，如图2C，F位置处，由于探针针尖侧壁角的影响，导致得到的陡坡AFM像与实际物相差较大，坡度越大，陡坡效应越明显。另外与针尖的侧壁角相关，侧壁角越大，陡坡效应越显著。

4）沟壑效应，当探针的曲率半径较大时，不足以探测到沟壑的底部，如图2H位置及图4。探针的曲率半径越大，AFM得到的深度与实际相差也越大。

5）双针尖或多针尖效应，如图5，由于探针的针尖损坏或者污染，使AFM图像出现成对或多个有规律的出现，可以判断有可能是假象。

图1 探针针尖示意图

图2 样品表面截面（上）与AFM图像中发生的针尖效应示意图（下）

图3 探针曲率半径越大，横向展开效应越明显

图4 探针的曲率半径大于沟壑的直径，发生明显的沟壑效应

图5 由于探针污染或者损坏导致AFM图像的歪曲

2 结束语

AFM形貌表征过程中，由于探针的针尖效应，容易出现假象，有时假象比较细微，较难判断。探针的针尖效应，在实际表征中，可以理论上指导我们，如何选择合适的探针，探针的曲率半径越小，AFM图像的横向分辨率越高。AFM假象的出现，很多时候是由于探针损坏或者由于探针针尖附着上小颗粒被污染，所以，很有必要保持AFM工作室与样品表面的洁净从而减少探针针尖的人为污染，从而提高成像质量。

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