牛津仪器在线商城

科普知识 | 和原子力显微镜一起看见样品表面的起起伏伏(文末观看学习视频)

发布日期:2022-09-02 00:00

粗糙度是什么?

大概在上世纪 30 年代,人们开始重视对粗糙度的表征,因为材料表面的粗糙度会影响到其对应的性能,像是影响耐磨性、疲劳强度、接触刚度等等。不管是在车间用车床铣床制作零件,还是在无尘室里处理硅片,这些材料性能皆与其结构相关。随着科技不断地发展进步,人们的关注从微米级别的粗糙度,到纳米级粗糙度。最常使用的粗糙度测量仪器包括触针式轮廓仪、三维光学设备,以及原子力显微镜(AFM)。

图 1  粗糙度示意图

粗糙度测量仪器的优缺点


AFM 提供最为出色的纵向分辨率,最高可以到达 10 pm ,但在纵向测量范围上就比较受限,最高只能到 20 微米,至于 AFM 以及触针式轮廓仪的横向分辨率则是受限于针尖大小,对一些高性能 AFM 来说,原子大小是其分辨率的极限;三维光学设备的横向分辨率受限于光的波长和数值孔径。其中,AFM 还可以搭配不同模块,表征样品多种特性,最后,由于 AFM 在纵向特有的高分辨率,对于超光滑高精密抛光样品来说,使用 AFM 来表证可说是天作之合。

测量粗糙度影响因素


样品本身带有的粗糙度是本征的(intrinsic),不管我们做不做测量,这个粗糙度都存在的,但实际测得的粗糙度是非本征的(extrinsic),测量时的参数设置会影响所得到的结果,因此在测量时要更加小心。首先看到扫描速度(scan rate)增益值(I gain),这两个参数决定了探针会花多少时间,又会多快的反应样品表面起伏变化,若是扫描速度快,增益小,探针不能很好地追踪表面,那计算出来的粗糙度就会偏小(如图 2 )。在这里要注意的是,探针若是不能很好地追踪样品轮廓,不仅是测量到的粗糙度不准确,还有可能导致针尖变钝,进一步地影响粗糙度测量。