利用原子力显微镜对​TiN薄膜材料进行了观测分析

原子力显微镜(AtomicForceMicroscope)作为扫描力显微镜(AFM)的一种,是1986年由斯坦福大学的Binning教授等在扫描隧道显微镜(STM)的基础上开发的.AFM的工作原理基于量子力学中的泡利不相容原理.原子核外的电子处于不同能级,每个能级只允许容纳一个电子.当两个原子彼此靠近时,电子云发生重叠,由于泡利不相容原理,原子之间产生了排斥力,从而使与探针相连的微悬臂弯曲,通过采集微悬臂的位移,即可得知物体表面的形貌.尖锐针尖和待测样品之间存在的原子间作用力是它工作的动力,所以AFM对样品的导电性没有任何要求,这就弥补了STM不能检测绝缘样品的不足.作为一个微观领域,尤其是纳米结构的检测工具,AFM倍受人们关注的另一个原因是它具有极高的实测精度和适应多种测试环境.

TiN薄膜材料是一种新型材料,具有高硬度,耐腐蚀性和仿金色彩,作为一种代金装饰材料引起了人们的广泛关注.然而其纳米化后的微观形态却未见相关报道,为此以纳米TiN薄膜材料为例,利用原子力显微镜对其微观结构进行了观测分析.

在实验前首先在分析纯酒精中清洗待检的TiN薄膜,去除表面吸附污垢.在常温、常压下进行小范围的检测,附加偏压100mV,隧道电流1.5nA.检测结果的像素:700@700,扫描范围:4.5@4.5nm2.可以看到许多如图中白线标出的重复单元:在同一平面上存在6个原子,3个原子构成一个近似的等边三角形,另外3个原子分别位居三角形3边的中点.由固体物理理论知道,TiN的晶格结构与NaCl类似,属于面心立方结构,晶格常数为0.4242n.其(111)面上呈现的原子图象,小圆圈表示Ti或者N原子.可以肯定在原子力成像图中所出现的重复单元即为TiN元胞的(111)面.从而可以确定检测的纳米TiN薄膜优先生长面为(111)面.这与用XRD法鉴定的结果完全符合.还可以确定的晶格常数为0.45?0.05nm,与理论值相吻合.另外通过测量图中单个元胞原子之间的距离,即可确定出(111)面上出现的原子类别.

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