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@AFM测试:形貌、粗糙度、相图、厚度、PFM、KPFM、MFM、CAFM、PeakForce TUNA、杨氏模量、力曲线...

@AFM测试:形貌、粗糙度、相图、厚度、PFM、KPFM、MFM、CAFM、PeakForce TUNA、杨氏模量、力曲线... 赛纳新材测试服务
2025-08-10
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导读:@AFM测试:形貌、粗糙度、相图、厚度、PFM、KPFM、MFM、CAFM、PeakForce TUNA、杨氏模量、力曲线...




1. 表面形貌、粗糙度

AFM可以对样品表面形态、纳米结构、链构象等方面进行研究,获得纳米颗粒尺寸,孔径,材料表面粗糙度,材料表面缺陷等信息,同时还能做表面结构形貌跟踪(随时间、温度等条件变化)。也可对样品的形貌进行丰富的三维模拟显示,使图像更适合于人的直观视觉。下图表征的是样品的二维几何形貌图和三维高度形貌图。

2. 厚度、台阶高度

在半导体加工过程中通常需要测量高纵比结构,像沟槽和台阶,以确定刻蚀的深度和宽度。这些在SEM 下只有将样品沿截面切开才能测量,AFM 可以对其进行无损的测量。AFM在垂直方向的分辨率约为0.01nm,因此可以很好的用于表征纳米片厚度。 

3. 相图

AFM的相图模式(Phase Imaging)是轻敲模式(Tapping Mode)的扩展功能,通过检测探针振动相位相对于驱动信号的偏移,揭示样品表面的粘弹性、摩擦、成分分布等物性差异。其核心优势在于对材料微区性质的超灵敏响应,分辨率可达纳米级,且对样品几乎无损伤。

4. 压电力显微镜(PFM)

原子力显微镜的压电力显微镜(PFM)是一种专用于表征材料压电性、铁电性及力电耦合行为的纳米尺度测试技术。其核心原理是通过探针施加交变电压,检测样品因逆压电效应产生的微振动(振幅和相位),从而解析材料的铁电畴结构、极化方向及动态响应。

5. 力曲线(Force Curve)

在基底上Ramp,设置参数得到力曲线,曲线横坐标是探针和样本之间的相对距离变化,纵坐标是探针与样品之间的作用力,蓝线是探针压入样品曲线(approach),红线是离开样品的曲线。纵坐标线显示的就是两个原子之间(探针与样品之间)的作用力随着距离变化的一个情况,它有两个分量,一个是正值的分量,一个是负值的分量,正值代表斥力,负值代表吸引力。通过力曲线分析可以获得:

① 峰值力(探针样品最大作用力):peak force;

② 吸附力(探针样品最小作用力):adhesion;

③ 杨氏模量:YM;

④ 探针样品形变量:deformation;

⑤ 能量耗散(often-work of adhesion):dissipation;

⑥ 弹性模量:在曲线上当探针接触样品产生斥力时,探针下降的距离与力的关系成线性,利用这段规律可以模拟计算出样品表面的弹性模量;

⑦ 黏附力:在探针离开样品过程中,发生黏附力的牵扯,利用曲线最低点可以得到样品表面黏附力的大小;

⑧ 粘附功:曲线重叠区域的积分,用积分算粘附力做的功。  

6. 静电力显微镜(EFM)   

静电力显微镜(EFM)是原子力显微镜(AFM)的重要扩展模式,专注于纳米尺度静电力分布检测,适用于非接触式电学性能表征。

① 表面电势分布:探测样品局部表面电势差异(如半导体掺杂区域、金属电极界面),分辨率达10 mV。

② 电荷分布与输运:成像纳米材料(碳纳米管、量子点)的电荷积累/耗散区域,揭示载流子行为。

③ 介电性能分析:测量薄膜/界面的介电常数变化(如栅介质层缺陷定位)。

④ 器件失效分析:识别集成电路中的静电放电(ESD)损伤、绝缘层漏电路径。

7. 开尔文探针力显微镜(KPFM)

开尔文探针力显微镜在获得样品表面形貌的基础上可同时得到表面功函数或表面势。开尔文探针力显微镜和静电力显微镜的主要差异在于开尔文探针力显微镜在探针或样品上施加补偿电压,通过专用反馈控制电路实时调整该补偿电压使得探针和样品之间的静电力为零,从而定量测得样品表面的局域电势。

8. 磁力显微镜(MFM)    

基于Tapping Mode模式发展而来,原理与静电力显微镜相似,利用磁性探针检测磁性材料表面的磁作用力,获得表面磁力分布,磁畴结构等信息,用于半导体,磁性纳米颗粒等具有磁学性能的材料研究,也是二次成像模式。

9. 导电原子力显微镜(C-AFM)

导电原子力显微镜接触模式下,给导电探针和样品间施加直流电压,测量电流。利用导电力显微镜同时得到扫描区域的高度形貌图及电流分布图像, 更可进一步的于特定的点上取得IV曲线。

10. Peakforce Tuna

PeakForce TUNA是原子力显微镜(AFM)的纳米电学表征模式,通过峰值力轻敲技术(PeakForce Tapping®)同步获取样品表面形貌与局部导电性分布,分辨率达原子级(横向0.25 nm)。相较于传统导电AFM,PeakForce TUNA在力控精度和电流灵敏度上显著提升,解决了柔软样品在接触模式下的形变问题。

11. 杨氏模量

通过探针在样品表面进行纳米压痕,采集力-距离曲线(力曲线),结合接触力学模型(如Hertz模型)计算局部杨氏模量。

① 模式:力体积模式(Force Volume)或峰值力轻敲模式(PeakForce Tapping),实现高空间分辨率(≈10 nm)映射。

② 力分辨率:可达皮牛(pN)级,适用于超软材料(如细胞、水凝胶)。

12. 模量分布(QNM)

基于峰值力轻敲模式的专利技术,在高速成像时同步获取每个像素点的力曲线,实时生成二维模量分布图。可直观呈现材料中不同组分的弹性差异(如复合材料界面、生物组织硬度梯度),空间分辨率<10 nm,精度达kPa级。

13. 扫描电容显微镜(SCM)

扫描电容显微镜(SCM)是原子力显微镜(AFM)的重要电学表征模式,通过检测探针与样品间的局部电容梯度(dC/dV),实现对半导体材料载流子浓度分布和pn结界面的纳米级成像。

① 掺杂浓度映射:定量测量半导体中掺杂区域(n型/p型)的载流子浓度(分辨率达10¹⁵~10¹⁹ cm⁻³),绘制二维/三维掺杂分布图。

② pn结定位:精确标定结深(<50 nm精度)及界面空间位置(如FinFET沟道、太阳能电池耗尽区)。

③ 器件失效分析:识别集成电路中的掺杂异常(如离子注入不均匀性、扩散缺陷)、漏电路径及界面电荷积累。

④ 界面态研究:结合电压扫描,分析栅介质/半导体界面的电荷陷阱分布(如MOSFET可靠性评估)。

14. 测试周期

① 常规样品平均测试周期:到样1~3天,无需加急。

② 特殊样品:以协商周期为准。

15. 测试价格

16. 测试流程

完成之后根据科研检测服务人员提供的账号进入订单系统:

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