表面形貌和粗糙度測量 瀏覽量:102 | 發布時間:2022-07-11

表面形貌和粗糙度測量

　　原子力顯微是用于諸如表面粗糙度之類的度量的最流行技術之一，因為它具有以納米級分辨率定量測量x，y和z方向的能力。

　　原子力顯微鏡是為數不多的能夠定量測量表面所有3個維度的工具之一：橫向（x和y）和高度（z）。與其他依賴于電子與材料相互作用的高分辨率微觀表征方法不同，原子力顯微鏡中針尖與樣品之間存在機械接觸，能夠精確測量樣品的形貌和表面紋理。原子力顯微鏡（AFM）橫向分辨率為5-10nm，縱向分辨率為亞納米級，是一種有效的表面定量測量儀器。這種強大的定量測量與樣品表面的靈活性結合在一起：除了可被放入儀器外，對樣品沒有任何要求。對樣品表面形貌的定量測量可以實現如粗糙度輪廓、發現表面不規則性等重要的計量測量，以及實現如偏度和峰度等的更先進的測量。的更先進的測量。

　　原子力顯微鏡中有多種模式可用于測量表面粗糙度，這些模式因接觸類型而異。最簡單的模式是接觸模式，在接觸模式下，尖端以恒定的懸臂偏轉被“拖”過表面。用戶定義尖端被“拖”過表面時的載荷，以便可以為堅硬、結實的材料選擇較重

　　的載荷，為較軟的材料選擇較輕的載荷。然后儀器中的z軸壓電管上的反饋回路使懸臂的偏轉在整個圖像中保持恒定。通過此z軸壓電運動可提供形貌信息。

　　測量表面形貌（從而測量表面粗糙度）的較溫和模式是輕敲模式。這是一種動態模式，其中尖端以共振頻率振蕩，因而尖端以恒定的振幅輕柔地與表面相互作用。用戶定義尖端在表面上成像時的振動幅度，以便為堅固的材料選擇較大的幅度，為較軟的材料選擇較小的幅度。然后，儀器中z軸壓電管上的反饋回路使懸臂振幅在整個圖像中的保持恒定。通過此z軸壓電運動可提供形貌信息。使用這兩種模式，幾乎任何表面形貌都可以成像，從軟生物細胞，到聚合物，再到更堅硬的半導體和金屬。

　　存在多種參數來量化表面粗糙度。粗糙度值可以從橫截面輪廓（線）或表面（面積）計算。最常見的粗糙度參數依賴于計算與平均線或平面的垂直偏差。因此，只有提供z軸的定量測量的儀器才能提供粗糙度分析數據。如果圖像給人三維的“印象”，但三維的高度沒有量化（如掃描電鏡圖像），則無法對其進行定量粗糙度分析。

　　計算的兩個最常見的粗糙度參數是相對于平均值的算術平均值偏差和平均值的均方根平均值偏差。對于要分析區域的圖像，算術平均值稱為Sa，并定義為：

 

　　同樣，RMS粗糙度稱為Sq，定義為：

 

用AFM進行形貌測量的示例

　　原子力顯微鏡部分用作一個度量工具的原因是它在x，y和z上的出色分辨率。這里是一張收集到的鈦酸鍶（SrTiO3）的AFM圖像，它是一種鈦和鍶的氧化物，呈現鈣鈦礦結構，用作氧化物基的薄膜和高溫超導體生長的基底。這種材料形成層狀結構，其中各層僅幾埃厚。AFM可以輕松處理此類材料并對這些結構進行成像。在此1.1μm x 1.1μm圖像中，鈦酸鍶層很容易觀察到。由于樣品制備過程中的非理想終止過程，每層的RMS粗糙度約為0.125納米。下圖顯示了橫截面輪廓以及將每個樣本高度的像素數進行分級的直方圖。在橫截面輪廓和直方圖中，都清楚地看到了大約4埃的層厚，揭示了AFM在z軸的出色分辨率

　　Topography showing steps of strontium titanate;image size 1.1μm

用AFM進行表面粗糙度測量的實例

　　對于某些應用，需要將藍寶石或玻璃表面拋光至亞納米粗糙度。此處獲得的圖像顯示出拋光痕跡和表面上的小污染物顆粒。圖像以動態模式記錄。

系統: NaniteAFM 10μm掃描范圍連接至C3000控制器

懸臂: NCLAuD(Nanosensors)

圖像處理: Nanosurf報告軟件

　　Sa=0.12nm

　　表面上的顆粒分別引起較大的49和2770的偏度和峰度值。

　　Surface roughness image of polished sapphire