基础知识 Q&A

探针的形状如上图（左），前端针尖部分的SEM照片如上图（右）所示。如图中所示一样，探针是利用半导体工程技术制成一体的三角形或长方形悬臂。市场目前所售的悬臂材质有氮化硅（SiN）和Si（硅）。标准尺寸的悬臂长度为200μm，厚度1μm，前端探针长3μm，探针尖端曲率半径为20nm。根据用途探针形状各有不同，为了提高电磁特性和耐久性，会在探针上镀膜，如磁性体、金属膜、类金刚石薄膜等。

悬臂非常微小，放置于1.5mm×2.5mm大小的基座上，更换时需要用镊子夹起基座部分。

接触模式使用的氮化硅悬臂有长（200μm）和短（100μm）两种规格。除弹性系数不同外，探针的形状是相同的。长悬臂的优点是激光光路调节操作简便，对样品施加作用力较小。短悬臂的杠杆比相对较高，有利于提高灵敏度，此外对于抗静电性能力不足的装置来说应选此种硬度高的悬臂为好。

探针分很多种类，随着技术不断开发，通过改变悬臂长度、厚度能获得更软、更细小的悬臂，以及碳纳米管（CNT）探针。本公司SPM-9700设备可以使用各种类型的探针。但其他设备对探针类型有使用限制或必须使用专用悬臂，在使用中需注意。

影响探针寿命的因素非常广泛，不能一概而论。有时仅扫描一幅图像就损坏了，有时连续使用一周都没有问题。悬臂前端的探针随着扫描次数的增加会出现磨损，为了能采集到高分辨率的图像，需要扫描10到30次。探针尖端因此逐渐变圆滑，图像清晰度下降。如图1所示，针尖的状态对AFM成像有直接影响。

下图（a）和（b）是对同一样品在同一条件下扫描的AFM图像，（a）使用了锐利的探针，（b）使用了已损耗的探针。标准样品（铌镀膜颗粒）在（a）图观察是细长颗粒，而由于（b）图的针尖损耗，图像分辨率下降，颗粒模糊变形且看起来变大。

悬臂状况对AFM成像的影响

探针的耗损程度视其材质和扫描条件（扫描范围、扫描速度、点阵数、实验样品等）而定。一般，氮化硅材料的探针相对于硅材料的寿命更长。此外，样品上若污渍较多易导致探针污染的话，画质会突然变差。根据对分辨率要求的高低，探针的使用状况有很大差异。

因此，正如探针的损耗程度会受到很多因素影响一样，探针能否正常工作的标准也各不相同，无法给出准确的使用寿命。在实际操作时，当测量常见的样品时画质出现异常，或者分辨率发生变化，就可更换悬臂。

节省的办法是根据所需要的分辨率对探针区别使用，如扫描范围宽（低倍率，低分辨率）时使用旧探针，扫面范围小时使用新探针，但如此精细化管理的实验室尚在少数。

 

探针的磨损程度可根据成像质量来判断。探针尖端的形状对SPM成像质量有很大影响。探针尖端受损后，不仅画质逐渐模糊（分辨率下降），更会加剧探针的磨损、断裂、污染（异物附着）。
探针的磨损是在扫描过程中随着使用的增加探针尖端逐渐被磨圆，这是最常发生且最难以判定的情况。根据检测样品（样品表面粗糙度、硬度）、扫描条件（扫描范围、扫描速度、扫描设置值、反馈增益）的不同探针尖端的磨损程度不同，因此探针更换周期仅依靠使用时间无法判断。在通常情况下，无法得到有效分辨率时即可更换。

一般防止探针磨损的方法有降低扫描速度、减小设置值、调节反馈增益等。使用DLC和CNT的探针磨损相对较小，但价格高种类少。

相反，探针断裂和污染判断较容易。例如，在样品更换后，或之前扫描的图像突然发生变化时即可做出判断。如下图所示，扫描中探针受污染后分辨率有所下降。

扫描中探针受污染分辨率下降实例

出现以下情形应该更换探针：

（1）标准样品的图像与以往不同。
观察常用样品和随机配送的标样时，如果和平时观测到的不同，如样品颗粒直径比预期大，可断定探针尖端出现损耗。

（2）在成像中出现探针尖端的形状（假象）
探针尖端如果出现异常形状的话，如观察圆形颗粒时出现探针尖端的形状，或朝着同一方向的椭圆形、方形，或如下图（a）的三角形、下图（b）的双重影、三重影，称之为假象，此时看到的是探针的形状，样品方向反转后，形状朝向不变。

可以看到假象的画面实例