材料表面形貌测试

材料表面形貌测试

一．实验目的

1.了解原子力显微镜的基本测量原理。

2.学会正确使用AFM观测样品表面微观结构。

3.学会应用AFM图像处理软件进行数据分析。

二．实验内容

1.用AFM观测样品的表面形貌。

2.应用图像处理软件计算出样品的表面粗糙度，并进行尺寸分析等。

三．实验仪器

CSPM5500原子力显微镜1台，待测样品若干。

四．实验步骤

（一）接触模式

1.将单晶硅片放到仪器上准备进行实验。

2.针架放上去。

3.打开软件，进行扫描器设置，设置为“接触模式”，选S2151。

4.将激光器打开。

5.调整反射光。

6.调激光光路。

1）将激光调节到针尖的背面。（将放大镜放在白纸上方，便于观察判断。）剪一小白纸放置在激光接收器的下方。调节水平方向旋钮（保持垂直方向旋钮

不动），观察反射到白纸上的光斑，可判断激光落在悬臂的位置。

2）若激光完全落在悬臂上，则此过程中可看出，出现了较圆的激光反射光斑。此时可将水平旋钮调节到C位置，逆时针旋转Y方向的螺杆，直到出现如F、G

或H的衍射条纹，再顺时针微调Y方向的螺杆，使衍射条纹的“尾巴”刚好消

失，此时激光即落在悬臂边缘的针尖的背面。

3）观察“激光光斑”窗口（如下图），调节光斑位置探测器的X，Y方向的螺杆，使光斑处于“十字架”中央的小圆圈中央。

7.调探测器，Up-Down=0，Left-Right=0。Z电压读书为“+180v”。

8.盖上保护盖，放下仪器。

9.自动进针。

10.分别调节“信号放大”和“曲面校正”。

11.扫描完后，退针2次。

12.单击“另存为”，将所选的图像使用用户指定的文件名，保存到指定的目录下。

13.分析平均粗糙度。

（二）轻敲模式

1.将单晶硅片放到仪器上准备进行实验。

2.针架放上去。

3.打开软件，进行扫描器设置，设置为“轻敲模式”，选S1102。

4.将激光器打开。

5.调整反射光。

6.调激光光路。（具体步骤同接触模式）

7.调探测器，Up-Down=0，Left-Right=0。Z电压读书为“+180v”。

8.盖上保护盖，放下仪器。

9.频率设置窗口，找共振频率，调信范围，频率小点，参考点共振振幅1.465*0.60=0.87。

10.自动进针。

11.分别调节“信号放大”和“曲面校正”。

12.扫描完后，退针2次。

13.单击“另存为”，将所选的图像使用用户指定的文件名，保存到指定的目录下。

14.分析光栅高度和每条光栅（500nm左右）宽度。

五．原始图像、数据

1.接触模式

图一平面图

图二三维图

2.轻敲模式

图一平面图

图二三维图

图三剖面线分析图

六．实验结论

1.接触模式

面平均粗糙度为1.34nm.

2.轻敲模式

光栅高度为101.86nm，每条光栅宽度为533.20nm。

七．思考题

1.在安装AFM针尖时应当注意哪些事项？

答：1)顺时针旋转激光器位置垂直调节旋钮，知道激光落到探针架或探针基片上。此时探头正面观察，可以看到一个很亮的激光光点。由于激光完全被遮挡，提起探头观察，探头下方没有透射的激光光斑。

2）调节水平旋钮，使激光光点落在探针基片的中间位置。

调节垂直旋钮，使得激光往悬臂方向移动。由于探针基片的边缘是一个梯形，有一定的倾斜度，所以，激光落在探针基片的边缘时，反光的激光光点会落在探头的前方，

此时，稍微调整垂直旋钮，即可将激光调节到悬臂的区域附近。

若激光落在探针基片或探针悬壁上，激光将反射到A(即探头正面人眼的位置)。此时，在探头正面可观察到激光光点。

若激光落在探针基片与悬臂之间的梯形面上，激光将反射到B（即探头前下方）。此时，在探针的前方可观察到激光光点。

不同位置对激光的反射，可在不同的位置观察到激光反射点。

2.如何正确快速地调节AFM的检测光路？

1）将激光调节到针尖的背面。（将放大镜放在白纸上方，便于观察判断。）剪一小白纸放置在激光接收器的下方。调节水平方向旋钮（保持垂直方向旋钮不动），观察反射到白纸上的光斑，可判断激光落在悬臂的位置。

2）若激光完全落在悬臂上，则此过程中可看出，出现了较圆的激光反射光斑。此时可将水平旋钮调节到C位置，逆时针旋转Y方向的螺杆，直到出现如F、G 或H的衍射条纹，再顺时针微调Y方向的螺杆，使衍射条纹的“尾巴”刚好消失，此时激光即落在悬臂边缘的针尖的背面。

3）观察“激光光斑”窗口（如下图），调节光斑位置探测器的X，Y方向的螺杆，使光斑处于“十字架”中央的小圆圈中央。