表征材料和设备的表面形貌对于确定其机械和物理性能至关重要。本文将探讨表面计量学领域以及原子力显微镜（AFM）如何有助于分析复杂的表面特征。

什么是表面计量学？

纳米技术、材料科学和半导体设计等领域的最新进展促进了能够精确分析纳米级表面特征的技术的发展。

表面形貌（如图案、波纹、表面粗糙度和不规则性）会影响关键因素，如部件之间的摩擦，从而导致磨损和使用寿命缩短。微小的表面不规则可增加局部电荷。

表面计量学已成为一个重要的工程和科学领域。表面计量技术可以精确、快速地表征微米级和亚微米级表面特征。

半导体设计等领域依靠表面计量来确保纳米级晶片表面的光滑和均匀。否则无法检测到的微小缺陷可能会导致商业半导体出现严重问题，而半导体是许多行业的核心技术。

表面计量技术
 

多种表面计量技术可用于分析材料和器件的纳米级和微观表面特征。表面特征的图像可以在二维和三维空间中捕获。许多技术都是非破坏性的，可以进行高通量和可重复的分析。

接触式和非接触式轮廓仪使用精细扫描探头检测表面特征。共聚焦显微镜、干涉仪、光学轮廓仪和相位检测使用光。扫描电镜也被广泛使用，不过这种方法价格昂贵，而且需要专门的软件来显示三维表面形貌。

另一种用于表面计量的常用方法是原子力显微镜（AFM）。

什么是原子力显微镜？
 

原子力显微镜是另一种使用悬臂和极硬针尖的探针成像方法。这种方法可为操作人员提供较高的横向和纵向分辨率，但原子力显微镜的一个缺点是获取形貌数据的速度较慢。此外，这种技术需要高度专业化的操作人员。

原子力显微镜的另一个关键问题是有可能损坏和改变表面，这可能会对制造过程产生不利影响，因为这会严重影响产品质量。此外，在扫描过程中，由于探针的形状和尺寸发生变化，可能会造成磨损和污染。

尽管存在潜在的缺点，原子力显微镜仍是分析表面特征的强大技术。原子力显微镜通常用于生命科学、半导体设计和纳米技术领域。

采用独立系统提供地形数据。现代原子力显微镜系统比20世纪80年代最初开发的系统要快得多，可以提供埃级（0.1纳米）的表面形貌测量。

原子力显微镜对表面计量的适用性
 

原子力显微镜在表面计量方面的优势在于它能够提供所有三个维度的空间数据。显微镜针尖与表面之间的物理接触能够对纹理和表面特征进行精确的定量测量。

原子力显微镜可进行重要的计量测量。这些测量包括表面粗糙度、不规则特征以及峰度和偏度等高级测量。

原子力显微镜的另一个关键优势是其灵活性，这意味着它可用于分析多种类型的表面。该技术无需任何样品制备，只需确保样品的物理尺寸适合机器。

原子力显微镜可以在接触模式或 "攻丝 "模式下测量表面形貌。在接触模式下，针尖以一致的悬臂挠度作用于表面，在样品上 "拖动"。在这种模式下，载荷由用户定义，取决于被分析的表面。

较软的表面需要较轻的载荷，而较硬和坚固的材料需要较重的载荷。Z轴压电运动提供表面形貌信息。

攻丝模式更加动态。采用共振频率提供针尖恒定摆动，使针尖与表面温和地相互作用，并提供表面粗糙度等关键参数信息。

使用适当的模式，原子力显微镜操作员可以捕捉到生物细胞、半导体、金属、聚合物以及许多其他类型的设备和材料的复杂表面信息。

当涉及到表面粗糙度时，只有能够提供定量Z值测量的方法才能为精确分析提供数据。仅提供三维印象而不量化高度的方法（如SEM）是不够的。原子力显微镜是一种更为可靠和精确的表面计量方法。

结论
对表面粗糙度和其他关键参数进行分析和分类对多个行业都至关重要。准确的数据是半导体和纳米材料等产品设计的关键，需要表面计量领域的强大技术。

原子力显微镜是一种能够提供精确的三维表面形貌信息的方法，尤其是在Z轴上。类似的技术，如光学显微镜和扫描电子显微镜，不能提供表面特征高度的精确数据，因此不能用于此目的。

原子力显微镜从20世纪80年代开始出现，如今，机器的速度越来越快，功能越来越复杂，能够以前所未有的埃级细节分析表面特征。表面计量学广泛使用了这种有效的技术。

参考资料

Oxford Instruments (2023) Semiconductor Atomic Force Microscopy (AFM) [online] afm.oxinst.com. Available at:

https://afm.oxinst.com/outreach/semiconductor-atomic-force-microscopy-afm

Nanosurf (2023) Topography and surface roughness measurements [online] nanosurf.com. Available at:

https://www.nanosurf.com/en/support/afm-modes-overview/topography-and-surface-roughness-measurements

DeRose, J et al. (2019) Brief introduction to surface metrology [online] Leica Microsystems. Available at:

https://www.leica-microsystems.com/science-lab/applied/brief-introduction-to-surface-metrology/

作者：Reginald Davey