先從成像原理上來(lái)說(shuō)，SEM的原理是利用電子槍采用真空加熱鎢燈絲,發(fā)生熱電子束,在0.5～30KV的加速電壓下,經(jīng)過(guò)電磁透鏡所組成的電子光學(xué)系統(tǒng),電子束會(huì)聚極細(xì)電子束,并在樣品表面聚焦。末級(jí)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(zhì)相互作用產(chǎn)生二次電子,背反射電子,X射線等信號(hào)。這些信號(hào)分別被不同的接收器接收,經(jīng)放大后用來(lái)調(diào)制熒光屏的亮度。電子束打到樣品上一點(diǎn)時(shí),在熒光屏上就有一亮點(diǎn)與之對(duì)應(yīng),其亮度與激發(fā)后的電子能量成正比,SEM是采用逐點(diǎn)成像的圖像分解法進(jìn)行的,光點(diǎn)成像的順序是從左上方開(kāi)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(lái)自樣品表層(數(shù)納米)的信號(hào)的二次電子(能量)較小,只有數(shù)十eV以下,它是SEM檢測(cè)出的主要信號(hào),圖像被稱(chēng)為二次電子圖像,它準(zhǔn)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(shí),當(dāng)入射電子流轟擊到樣品表面時(shí),如果能量足夠高,樣品內(nèi)部分原子的內(nèi)層電子會(huì)被轟出,使原子處于能級(jí)較高的激發(fā)態(tài)。原子的激發(fā)態(tài)是過(guò)渡到穩(wěn)態(tài)時(shí),多余的能量便以光量子的形式輻射出來(lái)能量較高的X射線,其波長(zhǎng)只與原子處于不同能級(jí)時(shí)發(fā)生電子躍遷的能級(jí)差有關(guān)。這些有特征波長(zhǎng)的輻射將能夠反映出原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),特征光譜的波長(zhǎng)只取決于樣品組成元素的種類(lèi),是樣品元素的特征譜線,反映了樣品的成分和工作條件無(wú)關(guān)。

原子力顯微鏡成像AFM采用一顯微制作的探針掃描待測(cè)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(shí),測(cè)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(yīng)產(chǎn)生微小的作用力,就會(huì)引起懸臂的偏轉(zhuǎn)。反饋電路通過(guò)控制掃描頭在垂直方向上的移動(dòng),使掃描過(guò)程中每一點(diǎn)(x,y)上探針和樣品之間的作用力保持恒定;當(dāng)激光束照射在懸臂的末端,經(jīng)反射進(jìn)入光電檢測(cè)器。針尖與樣品表面的距離不同使得激光束的方向發(fā)生了改變,這就使光電檢測(cè)器接收到的信號(hào)變化,送入計(jì)算機(jī)的電脈沖也產(chǎn)生相應(yīng)的變化,檢測(cè)器將反射的激光束轉(zhuǎn)化成電脈沖,電脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理,然后計(jì)算機(jī)將這些信息轉(zhuǎn)換成或明或暗的區(qū)域,這樣掃描頭在每一點(diǎn)(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(shù)據(jù),從而產(chǎn)生了有明暗對(duì)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(guò)反饋線圈調(diào)節(jié)微懸臂的偏轉(zhuǎn)程度不變,從而保證樣品與針尖之間的作用力恒定,當(dāng)沿X、Y方向掃描時(shí),記錄Z方向上掃描器的移動(dòng)情況來(lái)得到樣品的表面形貌圖像。接觸模式的特點(diǎn)是探針與樣品表面緊密接觸并在表面上滑動(dòng),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(lái)獲得穩(wěn)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(dòng)及樣品表面與針尖的粘附力,易使樣品產(chǎn)生變形,故不適于檢測(cè)易變形的彈性樣品。輕敲模式通過(guò)調(diào)制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)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(guò)氟化橡膠減振器來(lái)改變。同時(shí),反饋系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整樣品與針尖間距來(lái)控制微懸臂的振幅與相位,記錄樣品的上下移動(dòng)情況即在Z方向上掃描器的移動(dòng)情況來(lái)獲得圖像。由于微懸臂的高頻振動(dòng),使得針尖與樣品之間頻繁接觸的時(shí)間相當(dāng)短,針尖與樣品可以接觸,也可以不接觸,且有足夠的振幅來(lái)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(qiáng)的樣品,且不對(duì)它們產(chǎn)生破壞,這種模式在生物樣品的結(jié)構(gòu)研究中應(yīng)用非常廣泛。

從應(yīng)用上來(lái)比較,SEM掃描范圍較大,可達(dá)數(shù)mm×mm,具有較大的景深,可達(dá)數(shù)微米,然而,典型的AFM技術(shù)的最大掃描范圍100μm×100μm,景深僅為數(shù)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(jìn)行Z高度的測(cè)量,并且能得到高分辨率的三維圖像,這一點(diǎn)SEM無(wú)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(jí),然而,實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在較大掃描范圍(μm或mm級(jí)),SEM的圖像質(zhì)量?jī)?yōu)于AFM;而在進(jìn)行小范圍掃描時(shí),尤其是nm級(jí)的掃描范圍,AFM的圖像明顯優(yōu)于SEM。

所以,SEM的分辨率雖高,但只能在真空中對(duì)導(dǎo)電樣品進(jìn)行觀察,否則,電子在到達(dá)樣品之前將被介質(zhì)吸收,無(wú)法達(dá)到觀察的目的,對(duì)液體、特殊環(huán)境下才存在的一些現(xiàn)象,SEM無(wú)法進(jìn)行觀察,此外,它也不能對(duì)樣品表面進(jìn)行微細(xì)加工和表面性能測(cè)定。與SEM技術(shù)相比,AFM具有以下一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):具有原子級(jí)分辨率,其橫向分辨率和縱向分辨率可達(dá)到0.1nm和0.01nm,即可以分辨出單個(gè)原子;可實(shí)時(shí)地得到在實(shí)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(jié)構(gòu)研究,這種可實(shí)時(shí)觀測(cè)的性能可用于表面擴(kuò)散等動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究;可以觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu),而不是體相或整個(gè)表面的平均性質(zhì),因而,可以直接觀察表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置等。同時(shí),AFM可以測(cè)量樣品表面的硬度、粗糙度,磁場(chǎng)力,電場(chǎng)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(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),特別是生理?xiàng)l件下(空氣中或液體中)或生理?xiàng)l件下對(duì)生物樣品的觀察,解決了用SEM觀察細(xì)胞時(shí)樣品的變形和損傷問(wèn)題,同時(shí),AFM對(duì)樣品基本沒(méi)有破壞。經(jīng)過(guò)短短十幾年的發(fā)展,AFM已被用來(lái)探測(cè)各種表面力、納米機(jī)械性能、對(duì)生物過(guò)程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀察,還被用來(lái)將電荷定向沉積、對(duì)材料進(jìn)行納米加工等。SEM和AFM都是目前進(jìn)行表面分析最常見(jiàn)的手段,但是,AFM的工作區(qū)域選擇非常盲目,而且工作區(qū)域非常有限,只能在微米尺度范圍進(jìn)行掃描,對(duì)較大樣品表面進(jìn)行掃描非常困難。目前,國(guó)外已有實(shí)驗(yàn)室正在研究將SEM與AFM結(jié)合起來(lái),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(jìn)行AFM研究的目標(biāo)或感興趣的區(qū)域,然后迅速實(shí)現(xiàn)宏觀到原子尺度的過(guò)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(shù)是對(duì)微觀分析互相補(bǔ)充,不斷延伸人類(lèi)視野,新的技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)綜合利用將更好地促進(jìn)著科學(xué)的發(fā)展。

蘇州飛時(shí)曼精密儀器有限公司成立于2013年，坐落在美麗的蘇州高新區(qū)科技城，是一家起點(diǎn)高、前瞻性強(qiáng)的研發(fā)和制造型高科技企業(yè)。公司的核心研究方向?yàn)楣狻C(jī)、電、算一體化的微納米檢測(cè)設(shè)備、先進(jìn)的醫(yī)療儀器。飛時(shí)曼作為國(guó)內(nèi)自主品牌、原子力顯微鏡廠家，其主要產(chǎn)品有：原子力顯微鏡系列（多模式原子力顯微鏡 FM-Nanoview1000AFM、一體式原子力顯微鏡 FM-Nanoview6800AFM、拉曼原子力顯微鏡一體機(jī) FM-NanoviewRa-AFM、光學(xué)原子力顯微鏡一體機(jī) FM-NanoviewOp-AFM、教學(xué)型原子力顯微鏡 FM-Nanoview T-AFM、教學(xué)型掃描隧道顯微鏡 FM-NanoviewT-STM、工業(yè)型原子力顯微鏡 FM-NanoviewLS-AFM、拉曼光譜儀RM5000、拉曼光譜儀RM8000、拉曼光譜儀RM9000）。2015年，公司獲得江蘇省高新技術(shù)企業(yè)認(rèn)證，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)30多項(xiàng)，研發(fā)的多款產(chǎn)品被評(píng)為高新技術(shù)產(chǎn)品，并通過(guò)CE、ISO9001、SGS認(rèn)證。