先從成像原理上來說，SEM的原理是利用電子槍采用真空加熱鎢燈絲,發生熱電子束,在0.5～30KV的加速電壓下,經過電磁透鏡所組成的電子光學系統,電子束會聚極細電子束,并在樣品表面聚焦。末級透鏡上邊裝有掃描線圈,在它的作用下,電子束在樣品表面掃描。高能電子束與樣品物質相互作用產生二次電子,背反射電子,X射線等信號。這些信號分別被不同的接收器接收,經放大后用來調制熒光屏的亮度。電子束打到樣品上一點時,在熒光屏上就有一亮點與之對應,其亮度與激發后的電子能量成正比,SEM是采用逐點成像的圖像分解法進行的,光點成像的順序是從左上方開始到右下方,直到最后一行右下方的像元掃描完畢就算完成一幅圖像。來自樣品表層(數納米)的信號的二次電子(能量)較小,只有數十eV以下,它是SEM檢測出的主要信號,圖像被稱為二次電子圖像,它準確地反映樣品表面的形貌(凹凸)特征,具有立體感的圖像。同時,當入射電子流轟擊到樣品表面時,如果能量足夠高,樣品內部分原子的內層電子會被轟出,使原子處于能級較高的激發態。原子的激發態是過渡到穩態時,多余的能量便以光量子的形式輻射出來能量較高的X射線,其波長只與原子處于不同能級時發生電子躍遷的能級差有關。這些有特征波長的輻射將能夠反映出原子的結構特點,特征光譜的波長只取決于樣品組成元素的種類,是樣品元素的特征譜線,反映了樣品的成分和工作條件無關。

原子力顯微鏡成像AFM采用一顯微制作的探針掃描待測樣品表面,探針被固定在一根有彈性的懸臂的末端,懸臂通常由金和硅的材料制成。如圖2所示,探針在樣品表面掃描時,測量探針與樣品之間的相互作用力,隨著針尖與樣品表面之間距離的不同,相應產生微小的作用力,就會引起懸臂的偏轉。反饋電路通過控制掃描頭在垂直方向上的移動,使掃描過程中每一點(x,y)上探針和樣品之間的作用力保持恒定;當激光束照射在懸臂的末端,經反射進入光電檢測器。針尖與樣品表面的距離不同使得激光束的方向發生了改變,這就使光電檢測器接收到的信號變化,送入計算機的電脈沖也產生相應的變化,檢測器將反射的激光束轉化成電脈沖,電脈沖信號經過計算機處理,然后計算機將這些信息轉換成或明或暗的區域,這樣掃描頭在每一點(x,y)上的垂直位置被記錄,作為樣品表面形貌成像的原始數據,從而產生了有明暗對比度的樣品的表面形貌圖像,可得到樣品表面的三維形貌圖像。圖2　原子力顯微鏡成像AFM有二種工作模式:接觸模式((contactmode)、非接觸模式(noncontactmode)和輕敲模式(tappingmode)。接觸模式通過反饋線圈調節微懸臂的偏轉程度不變,從而保證樣品與針尖之間的作用力恒定,當沿X、Y方向掃描時,記錄Z方向上掃描器的移動情況來得到樣品的表面形貌圖像。接觸模式的特點是探針與樣品表面緊密接觸并在表面上滑動,針尖與樣品之間的相互作用力是兩者相接觸原子間的排斥力。接觸模式通常就是靠這種排斥力來獲得穩定、高分辨的樣品表面形貌圖像,但由于針尖在樣品表面上滑動及樣品表面與針尖的粘附力,易使樣品產生變形,故不適于檢測易變形的彈性樣品。輕敲模式通過調制壓電陶瓷驅動器使帶針尖的微懸臂以某一高頻的共振頻率和大于20nm的振幅在Z方向上共振,而微懸臂的共振頻率可通過氟化橡膠減振器來改變。同時,反饋系統通過調整樣品與針尖間距來控制微懸臂的振幅與相位,記錄樣品的上下移動情況即在Z方向上掃描器的移動情況來獲得圖像。由于微懸臂的高頻振動,使得針尖與樣品之間頻繁接觸的時間相當短,針尖與樣品可以接觸,也可以不接觸,且有足夠的振幅來克服樣品與針尖之間的粘附力。因此,適用于柔軟、易脆和粘附性較強的樣品,且不對它們產生破壞,這種模式在生物樣品的結構研究中應用非常廣泛。

從應用上來比較,SEM掃描范圍較大,可達數mm×mm,具有較大的景深,可達數微米,然而,典型的AFM技術的最大掃描范圍100μm×100μm,景深僅為數微米。

SEM的圖像有很大的景深,視野大,但是只能提供二維圖像,而AFM能進行Z高度的測量,并且能得到高分辨率的三維圖像,這一點SEM無法做到。就圖像的分辨率而言,雖然二者在理論上均為納米級,然而,實際的實驗結果表明,在較大掃描范圍(μm或mm級),SEM的圖像質量優于AFM;而在進行小范圍掃描時,尤其是nm級的掃描范圍,AFM的圖像明顯優于SEM。

所以,SEM的分辨率雖高,但只能在真空中對導電樣品進行觀察,否則,電子在到達樣品之前將被介質吸收,無法達到觀察的目的,對液體、特殊環境下才存在的一些現象,SEM無法進行觀察,此外,它也不能對樣品表面進行微細加工和表面性能測定。與SEM技術相比,AFM具有以下一些獨特的優點:具有原子級分辨率,其橫向分辨率和縱向分辨率可達到0.1nm和0.01nm,即可以分辨出單個原子;可實時地得到在實空間中表面的三維圖像,可用于具有周期性或不具備周期性的表面結構研究,這種可實時觀測的性能可用于表面擴散等動態過程的研究;可以觀察單個原子層的局部表面結構,而不是體相或整個表面的平均性質,因而,可以直接觀察表面缺陷、表面重構、表面吸附體的形態和位置等。同時,AFM可以測量樣品表面的硬度、粗糙度,磁場力,電場力,溫度分布和材料表面組成等樣品的物理特性,提供不同樣品的成分信息。AFM可在真空、氣體空氣或液體多種環境下進行實驗,特別是生理條件下(空氣中或液體中)或生理條件下對生物樣品的觀察,解決了用SEM觀察細胞時樣品的變形和損傷問題,同時,AFM對樣品基本沒有破壞。經過短短十幾年的發展,AFM已被用來探測各種表面力、納米機械性能、對生物過程進行現場觀察,還被用來將電荷定向沉積、對材料進行納米加工等。SEM和AFM都是目前進行表面分析最常見的手段,但是,AFM的工作區域選擇非常盲目,而且工作區域非常有限,只能在微米尺度范圍進行掃描,對較大樣品表面進行掃描非常困難。目前,國外已有實驗室正在研究將SEM與AFM結合起來,利用SEM的納米尺度的分辨率和大范圍搜尋能力,盡快找到和鎖定需要進行AFM研究的目標或感興趣的區域,然后迅速實現宏觀到原子尺度的過渡和跨越,這樣可以極大地提高AFM的工作效率。AFM與SEM兩種技術是對微觀分析互相補充,不斷延伸人類視野,新的技術與傳統技術綜合利用將更好地促進著科學的發展。

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