原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscope)作為掃描力顯微鏡(AFM)的一種,是1986年由斯坦福大學的Binning教授等在掃描隧道顯微鏡(STM)的基礎上開發的.AFM的工作原理基于量子力學中的泡利不相容原理.原子核外的電子處于不同能級,每個能級只允許容納一個電子.當兩個原子彼此靠近時,電子云發生重疊,由于泡利不相容原理,原子之間產生了排斥力,從而使與探針相連的微懸臂彎曲,通過采集微懸臂的位移,即可得知物體表面的形貌.尖銳針尖和待測樣品之間存在的原子間作用力是它工作的動力,所以AFM對樣品的導電性沒有任何要求,這就彌補了STM不能檢測絕緣樣品的不足.作為一個微觀領域,尤其是納米結構的檢測工具,AFM倍受人們關注的另一個原因是它具有極高的實測精度和適應多種測試環境.

TiN薄膜材料是一種新型材料,具有高硬度,耐腐蝕性和仿金色彩,作為一種代金裝飾材料引起了人們的廣泛關注.然而其納米化后的微觀形態卻未見相關報道,為此以納米TiN薄膜材料為例,利用原子力顯微鏡對其微觀結構進行了觀測分析.

在實驗前首先在分析純酒精中清洗待檢的TiN薄膜,去除表面吸附污垢.在常溫、常壓下進行小范圍的檢測,附加偏壓100mV,隧道電流1.5nA.檢測結果的像素:700@700,掃描范圍:4.5@4.5nm2.可以看到許多如圖中白線標出的重復單元:在同一平面上存在6個原子,3個原子構成一個近似的等邊三角形,另外3個原子分別位居三角形3邊的中點.由固體物理理論知道,TiN的晶格結構與NaCl類似,屬于面心立方結構,晶格常數為0.4242n.其(111)面上呈現的原子圖象,小圓圈表示Ti或者N原子.可以肯定在原子力成像圖中所出現的重復單元即為TiN元胞的(111)面.從而可以確定檢測的納米TiN薄膜優先生長面為(111)面.這與用XRD法鑒定的結果完全符合.還可以確定的晶格常數為0.45?0.05nm,與理論值相吻合.另外通過測量圖中單個元胞原子之間的距離,即可確定出(111)面上出現的原子類別.

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