柯丁宁,况 婷,宋琳琳,黄梦诗,高 尚

(1.哈尔滨工业大学(深圳) 实验与创新实践教育中心，广东 深圳 518055；2.哈尔滨工业大学(深圳)材料科学与工程学院，广东 深圳 518055)

与电子显微镜相比，原子力显微镜(AFM)不但具有较高的分辨率，还能在空气、真空与液体环境中观察原子或分子形成的三维图像，实时反应微观物质的真实形貌与结构[1-3]。友好的测试环境使得AFM成为材料科学、表面科学、电化学、生物及测量学中最流行的研究手段之一[2,4]。AFM通过探针针尖原子与样品表面产生的作用力(低至pN)的变化来反映样品表面的形貌信息[5],其测量结果体现的是探针针尖与样品表面形貌的卷积效应[2-3]，所以探针针尖的尖锐状态是获得样品真实形貌的重要条件之一[2,6]。

目前，探针磨损研究作为AFM技术的一个新热点得到了广泛关注。为了研究探针针尖磨损过程，一些学者致力于研究各种探针材料的磨损机理[7-10]。Su等提出以估算探针半径(ETD)的方法来评估探针磨损效率[3]。随后Huang等发现被测材料表面的粗糙度也能作为评估探针磨损效率的指针，同时证实材料表面粗糙度数值与估算探针半径数值有较好的相关性[6]。新材料与新技术也被运用于提高探针耐磨损性能的研究，如将更加耐磨的材料(如类金刚石)覆盖到探针表面，从而提高探针的耐磨损性能[9,11];碳纳米管直径较小，覆盖到探针针尖时既能反映样品表面的细节形貌，也具有较高的耐磨损性能[12]。然而将新的技术或新材料引入商业化探针制造势必会增加探针的价格，从而限制AFM测试技术在科学研究中的广泛应用。AFM的测试参数是另一个影响探针磨损的重要因素，然而该方面的研究极为有限[2-3]。Su等仅研究了AFM测试扫描过程中参数对探针磨损的影响，而忽略了下针过程中参数的影响[3]。Xue等利用图片质量因子的方法研究了测试参数在轻敲模式中对探针磨损的影响，发现扫描速度和积分增益能够明显影响探针磨损。但图片质量因子计算相对复杂，对样品表面形貌均一性要求较高，因而应用受限[2]。

商业化探针的针尖曲率半径一般小于10 nm，仅在测试材料具有纳米级表面形貌时，探针针尖磨损产生的展宽效应才会显著影响AFM测试所反映的材料表面形貌[9,12-14]。本文首次采用具有纳米结构的超平玻璃表面(粗糙度Rq<0.5 nm)作为测试对象，利用样品表面测试所得粗糙度(Rq)信息作为探针磨损指针，考察整个测试过程的探针悬臂目标振幅比例、反馈回路的设定值比例、扫描速度、比例增益和扫描次数对探针针尖磨损效率的影响。最后通过连续测试实验和探针针尖扫描电镜图片推测出探针针尖的磨损机理：探针先断裂破损然后逐渐磨损，最后探针半径变大。

1 实验材料与设备

超平玻璃(Rq<0.5 nm,日本Hoya公司)；Dimension 5100Atomic Force Microscope(AFM，德国Bruker公司)；ACT单晶硅探针(Tip ROC=6 nm,Tip height=14～16 μm，Cantilever f =300～400 kHz,美国Appnano公司)；Magellan Scanning Electron Microscope(SEM，美国FEI公司)。

2 结果与讨论

2.1 探针悬臂目标振幅比例的影响

本文研究了下针过程中不同的探针悬臂目标振幅比例(Target amplitude ratio=Target amplitude/ free amplitude，TAR)对探针磨损的影响。结果发现，样品测试Rq随着TAR的增加而下降。当TAR从10%上升到50%时，Rq值从0.32 nm下降至0.30 nm。当TAR上升到50%后,Rq下降的趋势明显增大。而当TAR上升到100%,Rq剧烈下降至0.25 nm。该测试Rq的标准偏差为0.005 nm左右，重现性较好，说明AFM测试环境噪声水平较低。样品测试Rq随着TAR的增加而下降，说明探针针尖的磨损随着TAR的增加逐渐增大，这可能与探针针尖接触样品时的速度增大有关[3]。

图1 反馈回路设定值比例对测量Rq的影响Fig.1 Effect of set-point amplitude ratio on the change of Rqthe error bar data represent the standard deviation of the three error signal values

2.2 反馈回路设定值比例的影响

图1为下针过程中探针悬臂不同反馈回路设定值比例(Set-point amplitude ratio=Set-point amplitude/free amplitude，SPAR)下样品测量Rq的变化趋势。随SPAR的递增，Rq出现先下降后增加的趋势[6]。当SPAR为50%时，测量Rq达到最低值0.27 nm。而当SPAR由50%增加到90%时，测量Rq由0.27 nm增加到0.31 nm。图1中Rq的标准偏差为0.005 nm左右，数据重现性较好。

随着SPAR的增大，样品的Rq值先减小后增大，说明探针针尖的磨损呈现先增大后减小的趋势。这可能与探针悬臂SPAR影响探针针尖接触样品表面的作用力有关[3-5]。 Ancykowski、Tamayo和Garcia等学者利用不同的模型模拟了探针的撞击过程，发现在扫描过程中，随着SPAR增加，探针所受撞击力增加;当撞击力达到最大后，随着SPAR增加，探针所受撞击力减小[15-16]。这与图1观察到50%SPAR下具有最高的探针针尖磨损效率一致。此外，较低的SPAR下误差信号增长率较高，这样能增加反馈回路的带宽，提高反馈回路反应速度，减小探针针尖由于失去控制产生磨损的几率[5,15-16]。

2.3 扫描速度的影响

线扫描点和扫描速度是扫描过程中需要设定的两个重要测试参数。线扫描的点数越多，图片越精细，能够体现的细节越多，但是耗费的时间越长。为了更好地体现超平材料的细节部分，本文选用512的线扫描点[17]。

扫描速度(Scan rate,SR)是扫描器在XY方向移动的速度。SR除了影响扫描时间外，对样品测量Rq值也有一定影响。当SR从1.0 Hz增加到2.0 Hz时，样品测量Rq从0.33 nm下降到0.30 nm[17]，说明增加SR能加剧探针针尖磨损。随着SR数值增加，探针与样品表面接触时探针针尖在扫描方向的横向摩擦力动能增加,这种磨损被Xue等学者归结为低循环疲劳磨损[2]。

图2 I-gain值对测量Rq的影响Fig.2 Effect of I-gain on the change of Rqthe error bar data represent the standard deviation of the three error signal values

图3 测量Rq的连续测试变化曲线Fig.3 The change in the Rq as the function of scanning timesA.standard test,TAR=10%,SPAR=10%;B.scanning test,TAR =10%,SPAR =10%;C.standard test,TAR =90%,SPAR =50%;D.scanning test，TAR =90%，SPAR =50%;the error bar data is the standard deviation of the three test values

2.4 比例增益的影响

在轻敲模式中，反馈系统中的比例增益(P-gain)和积分增益(I-gain)是主要反映反馈速度的扫描参数。相对P-gain,本文选择对误差振幅调节更为灵敏的I-gain[2]进行考察。

将P-gain的值选定为2.5，考察I-gain对样品测量Rq的影响。图2中误差信号的标准偏差为0.04 mV左右。随I-gain的增加，样品测量Rq出现先增大后减小的趋势。I-gain值为1.7时，样品测量Rq达到最大值0.32 nm。当I-gain值较小时，反馈系统反应较慢，在较短的反馈时间内很难将探针振幅恢复到设定振幅，从而造成测量时振幅误差较大。而I-gain值过大时，反馈系统易产生较大系统噪音，同样导致探针悬臂振幅误差增大。而探针振幅误差越大，反馈系统控制探针的能力越小，由于反馈系统失去控制引起探针针尖的磨损越大。故适中的I-gain值为1.7。

2.5 扫描次数的影响

本文在首次测试中设置下针过程，后续测试仅保留扫描过程(扫描测试)，发现连续标准测试条件下测量Rq曲线下降的幅度比连续扫描测试测量Rq曲线大。这说明下针过程将显著增加探针针尖的磨损。图3是两种模式下连续测试样品的Rq曲线，其数值重现性较好，标准偏差为0.004 nm左右。

图4 探针针尖标准测试后SEM图片Fig.4 SEM images of AFM probe after standard testA.raw probe；B.TAR=10%,SPAR=10%,scan time=1；C.TAR=10%,SPAR=10%,scan times=84；D.TAR=90%,SPAR=50%,scan times=21

在TAR和SPAR为10%的条件下，第1次测试样品的测量Rq为0.33 nm，此时探针针尖尖锐(图4B)。随后连续83次测试的Rq值保持在0.32 nm左右(图3A)。这可能与该过程中探针针尖受到的力较小，不足以破坏探针针尖有关[18-19]。Chung等利用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)研究单晶硅探针的磨损机理时发现，垂直载荷力小于5 nN时不会破坏探针最外层氧化物薄膜结构[15]。第84次测试的测量Rq急剧下降至0.29 nm，说明探针针尖开始出现明显的磨损。通过SEM发现此时探针针尖出现了缺口，证实探针的磨损从针尖断裂破损开始(图4C)[8]。在TAR为90%和SPAR为50%的测试条件下，连续测试的测量Rq剧烈下降，第21次标准测试的Rq为0.21 nm。在图4D中观察到此时探针针尖尖端完全消失，顶部呈圆锥形。这与Vahid等观察到的SiNx负载的AFM探针磨损后的形貌相似[8]。这一现象与Ramos等发现的硅探针针尖先断裂破损，然后逐渐磨损，最后探针半径变大[13]的磨损机理一致[13]。

3 结 论

首次选用Rq小于0.5 nm的超平材料作为测试材料，利用材料表面的粗糙度(Rq)作为探针针尖磨损效率的指针，研究了下针过程和扫描过程的4个主要参数对探针针尖磨损的影响。与样品表面接触时，在TAR和SPAR均为10%条件下，探针针尖速度较小，受到较小作用力，因而磨损较小。当SR=1.0 Hz时，探针针尖受到扫描方向的横向拖拽力小,也能减小探针磨损效率。适中的I-Gain(1.7)值导致较小的误差振幅，增加了反馈系统对探针的控制能力，减小了探针针尖的磨损。通过对比不同扫描次数的探针针尖的SEM图片推测出探针的磨损机理，即针尖先断裂破损，之后逐渐磨损，最后探针半径变大。