原子力显微镜简介

1、原子力显微镜Atomic Force Microscope原子力显微镜简介第1页显微镜发展史AFM基本原理AFM基本结构AFM工作模式AFM应用原子力显微镜(AFM)原子力显微镜简介第2页显微镜发展历史 光学显微镜19世纪末 透射电子显微镜1938年 扫描电子显微镜1952年 扫描隧道显微镜1983年 原子力显微镜1985年IBM企业Binning和Stanford大学Quate 扫描探针显微镜原子力显微镜简介第3页 原子力显微镜（AFM）是继扫描隧道显微镜（STM）之后创造一个含有原子级高分辨率新型仪器，经典AFM侧向分辨率(x，y方向)可到达2nm，垂直分辨率(z方向)小于0.1 nm。能

2、够在大气和液体环境下对各种材料和样品（金属、半导体、绝缘体）表面进行纳米区域形貌探测，或者直接进行纳米操纵，对物体表面进行加工修饰。 Bruker 原子力显微镜（Dimension Icon AFM） 原子力显微镜简介第4页AFM现已广泛应用于半导体、纳米功效材料、生物、化工、食品、医药研究，成为各种纳米相关学科研究基本工具。 原子力显微镜简介第5页AFM基本原理 AFM是在STM基础上发展起来。所不一样是，它不是利用电子隧道效应，而是利用原子之间范德华力作用来展现样品表面特征。 假设两个原子，一个是在探针尖端，另一个是在样本表面，伴随它们之间距离发生改变，它们间作用力也随之改变。原子力显微镜

3、就是利用这种原子间距离和作用力对应关系来把样品表面原子形貌展现出来。原子力显微镜简介第6页AFM硬件结构组成AFM构件主要有：1、探针系统2、扫描系统3、检测系统4、反馈系统原子力显微镜简介第7页1、探针系统 探针组件是AFM关键部分。由微悬臂和微悬臂末端针尖组成。 伴随精细加工技术发展，人们已经能制造出各种形状和特殊要求针尖。 微悬臂是由Si或Si3N4经光刻技术加工而成微悬臂后面镀有一层金属以到达镜面反射。 AFM探针针尖原子力显微镜简介第8页2、扫描系统 AFM对样品扫描准确控制是靠扫描器来实现。扫描器中装有压电转换器，压电装置在X，Y，Z三个方向上准确控制样品或探针位置。 当前组成扫描

4、器基质材料主要是由钛锆酸铅Pb(Ti,Zr)O3制成压电陶瓷材料。压电陶瓷有压电效应，压电陶瓷能将1mV1000V电压信号转换成十几分之一纳米到几微米位移。原子力显微镜简介第9页 3、检测系统 取得样品表面形貌是经过检测微悬臂位置改变而实现。检测微悬臂位置改变主要方法有： 激光反射检测法 隧道电流检测法 激光干涉检测法 电容检测法原子力显微镜简介第10页 激光反射检测法 激光器发出激光束经过光学系统聚焦在微悬臂后面，并从微悬臂后面反射到由光电二极管组成光斑位置检测器。 在扫描样品时，伴随样品表面原子与微悬臂探针尖端原子间作用力改变，微悬臂将随样品表面形貌改变而上下起伏，反射光束也将随之偏移，将

5、光斑位置转化为电信号后，再经计算机处理就能反应出样品表面形貌。原子力显微镜简介第11页隧道电流检测法 是基于STM原理实现。将微悬臂后面与一微小STM探针接触，其间施加一偏置电压，它们之间便产生了隧道电流。在扫描样品时，微悬臂将随样品表面形貌改变而上下起伏，进而使其与STM探针位置也发生对应改变，造成隧道电流发生指数级改变，那么测量原理就间接变成了STM测量原理。原子力显微镜简介第12页4、反馈系统 AFM反馈控制是由计算机系统和电子线路共同完成。AFM运行是在高速、功效强大计算机控制下来实现。控制系统主要有两个功效：(1)提供控制压电转换器X-Y方向扫描驱动电压；(2)在恒力模式下维持来自显

6、微镜检测环路输入模拟信号在一恒定数值。 电子线路系统起到计算机与扫描系统相连接作用，电子线路为压电陶瓷管提供电压、接收位置敏感器件传来信号，并组成控制针尖和样品之间距离反馈系统。原子力显微镜简介第13页AFM几个工作模式接触模式： 微悬臂探针紧压样品表面，检测时与样品保持接触，作用力（斥力）经过微悬臂变形进行测量。 该模式下，针尖与样品表面相接触，分辨率高，但成像时针尖对样品作用力较大，适合表面结构稳定样品。原子力显微镜简介第14页轻敲模式： 用处于共振状态、上下振荡微悬臂探针对样品表面进行扫描，样品表面起伏使微悬臂探针振幅产生对应改变，从而得到样品表面形貌。 该模式下，针尖对样品进行“敲击”

7、，二者间只有瞬间接触，能有效克服接触模式下针尖引发相互损伤，适合于柔软或吸附样品检测。原子力显微镜简介第15页相位移模式： 该模式是轻敲模式主要扩展技术，经过检测驱动微悬臂探针振动信号源相位角与微悬臂探针检测时实际振动相位角之差（即二者相移）改变来成像。 引发该相移原因很多，如样品组分、硬度、粘弹性质等。所以可在纳米尺度上取得样品表面局域性质丰富信息。原子力显微镜简介第16页AFM工作环境 原子力显微镜受工作环境限制较少，它能够在超高真空、气相、液相和电化学环境下操作。(1)真空环境：真空环境能够防止大气中杂质和水膜干扰，但其操作较复杂。 (2)气相环境：气相环境中，AFM多受样品表面水膜干扰

8、，但其操作比较轻易，它是广泛采取一个工作环境。它能够在空气中研究任何固体表面，不受样品导电性限制。原子力显微镜简介第17页(3)液相环境：液相环境中，AFM消除了针尖和样品之间毛细现象，所以降低了针尖对样品总作用力。液相AFM能够在液相中研究样品形貌，其应用十分辽阔，可用于生物体系、腐蚀或液固界面研究。(4)电化学环境：电化学AFM是在原有AFM基础上添加了电解池、双恒电位仪和对应应用软件。电化学AFM能够现场研究电极性质包含化学和电化学过程诱导吸附、腐蚀以及有机和生物分子在电极表面沉积和形态改变等。 原子力显微镜简介第18页AFM优点 光学显微镜和电子显微镜成像时都受电磁衍射影响，这给它们区

9、分三维结构带来困难，所以它们只能提供样品表面二维图像，AFM能够提供真正三维表面图。 AFM不需要对样品任何特殊处理，如镀铜或碳，不会对样品会造成不可逆转伤害。 电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都能够良好工作。这么能够用来硕士物宏观分子，甚至活生物组织。 原子力显微镜简介第19页AFM缺点 受样品原因限制较大（不可防止） 针尖易磨钝或受污染（磨损无法修复；污染清洗困难） 针尖样品间作用力较小 近场测量干扰问题 扫描速率低 针尖放大效应原子力显微镜简介第20页AFM假象 AFM优点是光或电对它成像基本没有影响，AFM能测得表面真实形貌尽管AFM成像简单，AF

10、M本身也有假象存在相对来说，AFM假象比较轻易验证下面介绍一些假象情况：原子力显微镜简介第21页 1.针尖成像：AFM中大多数假象源于针尖成像针尖比样品尖锐时，样品特征就能很好地显现出来。相反，当样品比针尖更尖时，假象就会出现，这时成像主要为针尖特征高表面率针尖能够降低这种假象发生AFM假象原子力显微镜简介第22页 2.钝或污染针尖产生假象：当针尖污染或有磨损时，所获图像有时是针尖磨损形状或污染物形状这种假象特征是整幅图像都有一样特征。AFM假象原子力显微镜简介第23页 3.双针尖或多针尖假象：这种假象是因为一个探针末端带有两个或多个尖点所致当扫描样品时，多个针尖依次扫描样品而得到重复图像。A

11、FM假象原子力显微镜简介第24页 4.样品上污物引发假象：当样品上污物与基底吸附不牢时，污物可能被正在扫描针尖带走并随针尖运动，致使大面积图像含糊不清。AFM假象原子力显微镜简介第25页 5.样品-针尖间作用力太小：探针不能顺利地扫描样品而出现横向拉伸现象。此时能够经过调整振幅衰减量来调整作用力。AFM假象原子力显微镜简介第26页AFM相关显微镜及技术AFM能被广泛应用一个主要原因是它含有开放性。 在AFM基本操作系统基础上，经过改变探针、成像模式或针尖与样品间作用力就能够测量样品各种性质下面是一些与AFM相关显微镜和技术：1.侧向力显微镜(LFM)2.磁力显微镜(MFM)3.静电力显微镜(EFM)4.化学力显微镜(CFM)5.相检测显微镜(PHD)6.纳米压痕技术(nanoindentation)7.纳米加工技术(nanolithography)原子力显微镜简介第27页AFM应用用于样品表面形态、纳米结构、链构象等方面进行研究。AFM image of porous Al2O3 template 原子力显微镜简介第28页首次利用原子力显微镜取得单个分子（并五苯）内部结构Science, ; 325, 1428 1431. 原子力显微镜简介第29页火星土壤原子力显微镜简介第30页DVD