深层探究SEM与AFM技术区别

先从成像原理上来说，SEM的原理是利用电子枪采用真空加热钨灯丝,发生热电子束,在0.5～30KV的加速电压下,经过电磁透镜所组成的电子光学系统,电子束会聚极细电子束,并在样品表面聚焦。末级透镜上边装有扫描线圈,在它的作用下,电子束在样品表面扫描。高能电子束与样品物质相互作用产生二次电子,背反射电子,X射线等信号。这些信号分别被不同的接收器接收,经放大后用来调制荧光屏的亮度。电子束打到样品上一点时,在荧光屏上就有一亮点与之对应,其亮度与激发后的电子能量成正比,SEM是采用逐点成像的图像分解法进行的,光点成像的顺序是从左上方开始到右下方,直到最后一行右下方的像元扫描完毕就算完成一幅图像。来自样品表层(数纳米)的信号的二次电子(能量)较小,只有数十eV以下,它是SEM检测出的主要信号,图像被称为二次电子图像,它准确地反映样品表面的形貌(凹凸)特征,具有立体感的图像。同时,当入射电子流轰击到样品表面时,如果能量足够高,样品内部分原子的内层电子会被轰出,使原子处于能级较高的激发态。原子的激发态是过渡到稳态时,多余的能量便以光量子的形式辐射出来能量较高的X射线,其波长只与原子处于不同能级时发生电子跃迁的能级差有关。这些有特征波长的辐射将能够反映出原子的结构特点,特征光谱的波长只取决于样品组成元素的种类,是样品元素的特征谱线,反映了样品的成分和工作条件无关。

原子力显微镜成像AFM采用一显微制作的探针扫描待测样品表面,探针被固定在一根有弹性的悬臂的末端,悬臂通常由金和硅的材料制成。如图2所示,探针在样品表面扫描时,测量探针与样品之间的相互作用力,随着针尖与样品表面之间距离的不同,相应产生微小的作用力,就会引起悬臂的偏转。反馈电路通过控制扫描头在垂直方向上的移动,使扫描过程中每一点(x,y)上探针和样品之间的作用力保持恒定;当激光束照射在悬臂的末端,经反射进入光电检测器。针尖与样品表面的距离不同使得激光束的方向发生了改变,这就使光电检测器接收到的信号变化,送入计算机的电脉冲也产生相应的变化,检测器将反射的激光束转化成电脉冲,电脉冲信号经过计算机处理,然后计算机将这些信息转换成或明或暗的区域,这样扫描头在每一点(x,y)上的垂直位置被记录,作为样品表面形貌成像的原始数据,从而产生了有明暗对比度的样品的表面形貌图像,可得到样品表面的三维形貌图像。图2　原子力显微镜成像AFM有二种工作模式:接触模式((contactmode)、非接触模式(noncontactmode)和轻敲模式(tappingmode)。接触模式通过反馈线圈调节微悬臂的偏转程度不变,从而保证样品与针尖之间的作用力恒定,当沿X、Y方向扫描时,记录Z方向上扫描器的移动情况来得到样品的表面形貌图像。接触模式的特点是探针与样品表面紧密接触并在表面上滑动,针尖与样品之间的相互作用力是两者相接触原子间的排斥力。接触模式通常就是靠这种排斥力来获得稳定、高分辨的样品表面形貌图像,但由于针尖在样品表面上滑动及样品表面与针尖的粘附力,易使样品产生变形,故不适于检测易变形的弹性样品。轻敲模式通过调制压电陶瓷驱动器使带针尖的微悬臂以某一高频的共振频率和大于20nm的振幅在Z方向上共振,而微悬臂的共振频率可通过氟化橡胶减振器来改变。同时,反馈系统通过调整样品与针尖间距来控制微悬臂的振幅与相位,记录样品的上下移动情况即在Z方向上扫描器的移动情况来获得图像。由于微悬臂的高频振动,使得针尖与样品之间频繁接触的时间相当短,针尖与样品可以接触,也可以不接触,且有足够的振幅来克服样品与针尖之间的粘附力。因此,适用于柔软、易脆和粘附性较强的样品,且不对它们产生破坏,这种模式在生物样品的结构研究中应用非常广泛。

从应用上来比较,SEM扫描范围较大,可达数mm×mm,具有较大的景深,可达数微米,然而,典型的AFM技术的最大扫描范围100μm×100μm,景深仅为数微米。

SEM的图像有很大的景深,视野大,但是只能提供二维图像,而AFM能进行Z高度的测量,并且能得到高分辨率的三维图像,这一点SEM无法做到。就图像的分辨率而言,虽然二者在理论上均为纳米级,然而,实际的实验结果表明,在较大扫描范围(μm或mm级),SEM的图像质量优于AFM;而在进行小范围扫描时,尤其是nm级的扫描范围,AFM的图像明显优于SEM。

所以,SEM的分辨率虽高,但只能在真空中对导电样品进行观察,否则,电子在到达样品之前将被介质吸收,无法达到观察的目的,对液体、特殊环境下才存在的一些现象,SEM无法进行观察,此外,它也不能对样品表面进行微细加工和表面性能测定。与SEM技术相比,AFM具有以下一些独特的优点:具有原子级分辨率,其横向分辨率和纵向分辨率可达到0.1nm和0.01nm,即可以分辨出单个原子;可实时地得到在实空间中表面的三维图像,可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构研究,这种可实时观测的性能可用于表面扩散等动态过程的研究;可以观察单个原子层的局部表面结构,而不是体相或整个表面的平均性质,因而,可以直接观察表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置等。同时,AFM可以测量样品表面的硬度、粗糙度,磁场力,电场力,温度分布和材料表面组成等样品的物理特性,提供不同样品的成分信息。AFM可在真空、气体空气或液体多种环境下进行实验,特别是生理条件下(空气中或液体中)或生理条件下对生物样品的观察,解决了用SEM观察细胞时样品的变形和损伤问题,同时,AFM对样品基本没有破坏。经过短短十几年的发展,AFM已被用来探测各种表面力、纳米机械性能、对生物过程进行现场观察,还被用来将电荷定向沉积、对材料进行纳米加工等。SEM和AFM都是目前进行表面分析最常见的手段,但是,AFM的工作区域选择非常盲目,而且工作区域非常有限,只能在微米尺度范围进行扫描,对较大样品表面进行扫描非常困难。目前,国外已有实验室正在研究将SEM与AFM结合起来,利用SEM的纳米尺度的分辨率和大范围搜寻能力,尽快找到和锁定需要进行AFM研究的目标或感兴趣的区域,然后迅速实现宏观到原子尺度的过渡和跨越,这样可以极大地提高AFM的工作效率。AFM与SEM两种技术是对微观分析互相补充,不断延伸人类视野,新的技术与传统技术综合利用将更好地促进着科学的发展。

苏州飞时曼精密仪器有限公司成立于2013年，坐落在美丽的苏州高新区科技城，是一家起点高、前瞻性强的研发和制造型高科技企业。公司的核心研究方向为光、机、电、算一体化的微纳米检测设备、先进的医疗仪器。飞时曼作为国内自主品牌、原子力显微镜厂家，其主要产品有：原子力显微镜系列（多模式原子力显微镜 FM-Nanoview1000AFM、一体式原子力显微镜 FM-Nanoview6800AFM、拉曼原子力显微镜一体机 FM-NanoviewRa-AFM、光学原子力显微镜一体机 FM-NanoviewOp-AFM、教学型原子力显微镜 FM-Nanoview T-AFM、教学型扫描隧道显微镜 FM-NanoviewT-STM、工业型原子力显微镜 FM-NanoviewLS-AFM、拉曼光谱仪RM5000、拉曼光谱仪RM8000、拉曼光谱仪RM9000）。2015年，公司获得江苏省高新技术企业认证，拥有自主知识产权30多项，研发的多款产品被评为高新技术产品，并通过CE、ISO9001、SGS认证。