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Park Systems & AFM
发布时间:2017-12-27 18:43 来源:亿诚恒达 阅读:

1Park Systems

Park Systems成立于斯坦福大学,其创始人Sang-Il Park博士当时是原子力显微镜技术研发工作组的重要成员。在技术完善后,Park博士建立了首个商用原子力显微镜公司,Park Systems也随即诞生。

经过近二十五年的不断发展与产品革新后,Park已成为业内历史最悠久的原子力显微镜公司。本公司开发的全球销售网络覆盖了30多个国家,原子力显微镜的全球使用量超过1000台。Park是目前发展最迅速的原子力显微镜公司,拥有超过120名的全职员工,致力于为广大客户生产最精确且极具易用性的原子力显微镜产品。

2AFM

原子力显微镜为扫描探针显微镜家族的一员,具有纳米级的分辨能力,其操作容易简便,是目前研究纳米科技和材料分析的最重要的工具之一。原子力显微镜是利用探针和样品间原子作用力的关系来得知样品的表面形貌。

最早扫描式显微技术(STM)使我们能观察表面原子级影像,但是STM 的样品基本上要求为导体,同时表面必须非常平整, 而使STM 使用受到很大的限制。而目前的各种扫描式探针显微技术中,以原子力显微镜(AFM)应用是最为广泛,AFM 是以针尖与样品之间的属于原子级力场作用力,所以又被称为原子力显微镜。AFM可适用于各种的物品,如金属材料、高分子聚合物、生物细胞等,并可以操作在大气、真空、电性及液相等环境,进行不同物性分析,所以AFM 最大的特点是其在空气中或液体环境中都可以操作, 因此,AFM 在生物材料、晶体生长、作用力的研究等方面有广泛的应用。根据针尖与样品材料的不同及针尖-样品距离的不同,针尖与样品之间的作用力可以是原子间斥力、范德瓦尔斯吸引力、弹性力、粘附力、磁力和静电力以及针尖在扫描时产生的摩擦力。通过控制并检测针尖与样品之间的这些作用力,不仅可以高分辨率表征样品表面形貌,还可分析与作用力相应的表面性质:摩擦力显微镜可分析研究材料的摩擦系数;磁力显微镜可研究样品表面的磁畴分布,成为分析磁性材料的强有力工具;利用电力显微镜可分析样品表面电势、薄膜的介电常数和沉积电荷等。另外,AFM还可对原子和分子进行操纵、修饰和加工,并设计和创造出新的结构和物质。

3AFM原理

AFM 是在STM 基础上发展起来的,是通过测量样品表面分子(原子)AFM 微悬臂探针之间的相互作用力,来观测样品表面的形貌。AFM STM 的主要区别是以个一端固定而另一端装在弹性微悬臂上的尖锐针尖代替隧道探针,以探测微悬臂受力产生的微小形变代替探测微小的隧道电流。

 

其工作原理:将一个对极微弱力极敏感的微悬臂一端固定,另一端有一微小的针尖,针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力,通过在扫描时控制这种作用力恒定,带有针尖的微悬臂将对应于原子间的作用力的等位面,在垂直于样品表面方向上起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法,可测得对应于扫描各点的位置变化,将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像。

 

AFM 主要是由执行光栅扫描和定位的压电扫描器、反馈电子线路、光学反射系统、探针、防震系统以及计算机控制系统构成。压电陶瓷管(PZT)控制样品在xy方向的移动,当样品相对针尖沿着xy方向扫描时,由于表面的高低起伏使得针尖、样品之间的距离发生改变。当激光束照射到微悬臂的背面,再反射位置灵敏的光电检测器时,检测器不同象限收到的激光强度差值,同微悬臂的形变量形成一定的比例关系。反馈回路根据检测器信号与预置值的差值,不断调整针尖、样品之间的距离,并且保持针尖、样品之间的作用力不变,就可以得到表面形貌像。这种测量模式称为恒力模式。当已知样品表面非常平滑时,可以采用恒高模式进行扫描,即针尖、样品之间距离保持恒定。这时针尖、样品之间的作用力大小直接反映了表面的形貌图像。

 

传统的AFM使用压电陶瓷感应同时感应XYZ三个方向的位置变化,从而扫描平面时会扫描出凹面的效果,数据需要使用软件按照算法自动展平,扫描得到的结果不是真实测量值,在扫描大范围时可能出现一定误差。而Park Systems原子力显微镜采用了新的XYZ方向扫描方式,将Z向扫描和XY向移动分离,可以直接得到真实测量值。

原子力显微镜的工作原理

Park原子力显微镜采用的新模式

 

4、原子力显微镜的基本操作模式

目前现有三种基本操作模式,可区分为接触式(contact)、非接触式(non-contact)及轻敲式(tapping)三大类。接触式及非接触式易受外界其它因素,如水分子的吸引,而造成刮伤材料表面及分辨率差所引起之影像失真问题,使用上会有限制,尤其在生物及高分子软性材料上。以下简单介绍三种基本形式的基本原理:

 

1)接触式(Contact mode):利用探针的针尖与待测物表面之原子力交互作用(一定要接触),使非常软的探针臂产生偏折,此时用特殊微小的雷射光照射探针臂背面,被探针臂反射的雷射光以二相的photo diode(雷射光相位侦检器)来记录雷射光被探针臂偏移的变化,探针与样品间产生原子间的排斥力约为10-6 10-9 牛顿。但是,由于探针与表面有接触,因此过大的作用力仍会损坏样品,尤其是对软性材质如高分子聚合物、细胞生物等。不过在较硬材料上通常会得到较佳的分辨率。

 

2)非接触式(Non-contact mode):为了解决接触式AFM 可能损坏样品的缺点,便有非接触式AFM被发展出来,这是利用原子间的长距离吸引力─范德华力来运作。Non-contactmode 的探针必需不与待测物表面接触,利用微弱的范德华力对探针的振幅改变来回馈。探针与样品的距离及探针振幅必需严格遵守范德华力原理,因此造成探针与样品的距离不能太远,探针振幅不能太大(5nm),扫描速度不能太快等限制。样品置放于大气环境下,湿度超过30%时,会有一层10nm 厚的水分子膜覆盖于样品表面上,造成不易回馈或回馈错误。

 

3)轻敲式AFM(Tapping mode):将非接触式AFM 加以改良,拉近探针与试片的距离,增加探针振幅功能(10300KHz),其作用力约为10-12 牛顿,Tapping mode 的探针有共振振动,探针振幅可调整而与材料表面有间歇性轻微跳动接触,探针在振荡至波谷时接触样品,由于样品的表面高低起伏,使得振幅改变,再利用回馈控制方式,便能取得高度影像。Tapping mode AFM 的振幅可适当调整小至不受水分子膜干扰,大至不硬敲样品表面而损伤探针,XY 面终极分辨率为2nmTapping mode AFM探针下压力量可视为一种弹性作用,不会对方向造成永久性破坏。在x y 方向,因探针是间歇性跳动接触,不会像对Contact mode x y 方向一直拖曳而造成永久性破坏。但由于高频率探针敲击,对很硬的样品,探针针尖可能受损。

 

作用力与距离的关系

使用Park原子力显微镜同一根探针非接触模式测量100次样品测量结果的变化

5、原子力显微镜的应用领域

 (1)材料,在纳米尺度下发现具有创新特性的新材料有助于指导现代许多工业的发展。AFM的专用操作模式,可以对材料的电、磁、机械和形态特性进行表征与描述。用户可以提高他们的研究能力,并继续激发突破性的纳米级调查带来的创新精神和进步精神。

(2)电气与电子,对许多人来说,电子工业是现代社会繁荣的基石。

电子产品已经彻底改变了日常生活的方方面面,为不断改进我们的设备带来了几乎无法满足的社会和经济需求。这样做的主要方式之一是让设备公司生产更快、更小、更便宜、更高效的便携式设备。然而,这些产品的关键尺寸必须以纳米级的顺序进行设计。在纳米尺寸的电特性中,例如静电力相互作用、表面电荷、导电率和静电电容,直接决定了每个设备的产品质量和性能。然而,这样的表征是使用传统的工具在工业规模上无法轻易做到的。但是现在原子力显微镜(AFM)的高纳米分辨率和高灵敏度能满足纳米尺度电特性特性的高挑战性要求。在研究和工业领域都具有较高的生产效率。

(3)生命科学,生命科学在提高全人类的生活质量方面有着直接的联系。

这一领域的进步在卫生、医药和农业等领域有无数的应用。随着时间的推移,我们面临着新的挑战,以更好地理解生命的现象,而这些现象尚未被科学的光所照亮。

一个如此令人生畏的前沿是在纳米尺度上。运用原子力显微镜(AFM)到生命科学,研究人员现在可以开始探索未知领域的黑暗之谜。利用生命科学中的Park AFM的研究人员可以准确而容易地获得生物样品的纳米级形态。特别使用的是AFM提供的力距离光谱学。该技术可用于表征生物材料的特性,如硬度、附着力、甚至其杨氏模量等物理特性。此外,Park开发了一种创新的液体成像技术,扫描离子电导显微镜(SICM)。这项技术使研究人员能够直接在液体中研究复杂的生理现象,这在传统的显微镜下是不可能的。不仅是生理生物材料和活细胞能够被同时表征,而且还可以将各种基于皮的应用集成到研究中,如对离子通道信号检测、电化学反应分析,甚至纳米注射或纳米活组织检查等。

(4)工业生产,制造品审查,半导体设备制造和微机电系统(MEMS)技术是现代高科技制造业取得的巨大成功的主要来源。半导体器件制造制造逻辑和垂直记忆装置(fin structure, STI,TSV),液晶显示器(LCD),发光二极管(LED),有机发光二极管(OLED),和接触图像传感器(CIS)等。MEMS结构提供各种光子应用,包括波导结构的生产。在那些利用半导体和MEMS技术的工业设备制造过程中,检查设备结构的尺寸是否正确和是否有意外的缺陷对于最大化生产效率和控制成本效率是至关重要的。最近,随着设备结构和缺陷的大小变得越来越小,进入光学检测技术无法检测到的范围内,在制造行业中,对高灵敏度和高灵敏度的评估的需求也在不断增加。这就导致了采用纳米分辨率的技术得到更多的关注,例如原子力显微镜(AFM)。许多工业研究人员和工程师选择了ParkAFM,他们对结构几何的一些方面进行了分析,比如特征高度、粗糙度、关键维度(CD)、角度,甚至是侧面的形貌和粗糙分析。

 

Park AFM在相关产业的研究与生产中,将会起到越来越重要的作用。它会是用户研究中及其有效,精准和便捷的表征工具。

 

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