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）

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）和增益值（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。

图 2  使用不同扫描速度和增益值得出的样品形貌及粗糙度

图像像素点的密度也是个影响因素。下图展示了同一区域，用三种像素点密度扫描的结果，随着像素点越密，对于表面轮廓的记录越完整，也越能反映样品完整的细节，得到较为准确的粗糙度；不过当像素点密度增大到一定程度，继续增大只会导致扫描时间变长。扫描范围的选择也是一个因素，随着扫描范围的减小，粗糙度一般是下降的趋势。

图 3  不同像素点密度下得出的粗糙度

总结

测量粗糙度的目的是为了知道样品表面轮廓起伏，使用合适的测量参数，尽可能完好的反映出真实情况，得出更趋于真实的数据，才能更好地帮助工艺工程师优化后续的实验条件。

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Measuring the Surface Roughness of Thin Films and Substrates with Atomic Force Microscopy（AFM）