AFM原子力显微镜

表面形貌分析手段----简介表面形貌分析手段----简介表面形貌分析手段光束电子束光学显微镜扫描电子显微镜(AFM)透射电子显微镜(TEM)探针原子力显微镜(AFM)扫描隧道显微镜(STM)表面形貌分析手段----简介常见测量技术的测量范围SPM-扫描探针显微镜家族的主要成员名

称

基

本

原

理工

作

环

境分

辨

率STM利用隧道电流与距离的敏感关系对表面成像大气、真空、液相变温1Å(横向)0.1Å

(纵向)AFM利用针尖/表面间的作用力与距离的敏感关系对表面成像大气、真空、液相变温~1ÅMFM利用磁性针尖与样品表面的磁力作用测量表面磁性质大气、真空变温~10nmSNOM利用近场光学效应对表面进行纳米级分辨光学成像大气、真空、液相变温nm级SCM检测针尖与样品之间的电容微小变化大气、真空变温数十nmEFM检测带电针尖与表面之间的静电力大气、真空变温100nmSICM利用微量滴管在表面扫描，检测溶液电导变化液相数百nm......AFM的基本原理AFM原理示意图STM对绝缘样品无能为力。为此，Binnig,Quate，Gerber等人发明了类似于STM的原子力显微镜（AFM，1986）。

AFM利用一个对微弱力极敏感的、在其一端带有一微小针尖的微悬臂，来代替STM隧道针尖，通过探测针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的（右图）。

将微悬臂的一端固定，另一端的针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面间存在极微弱的作用力（通常为排斥力，10－810－6N），微悬臂会发生微小的弹性形变，即造成微小偏转。这种偏转通过适当的方式检测出来，用于AFM成像。AFM原理----原子力针尖与样品之间的作用力与距离有强烈的依赖关系，所以在扫描过程中利用反馈回路保持针尖和样品之间的作用力恒定，即保持微悬臂的形变量不变，针尖就会随表面的起伏上下移动，记录针尖上下运动的轨迹即可得到表面形貌的信息。这种检测方式被称为“恒力”模式（ConstantForceMode），是使用最广泛的扫描方式。

其中，k为微悬臂的力常数。测定微悬臂形变量的大小，就可以获得针尖与样品之间作用力的大小。

AFM图像也可以使用“恒高”模式（ConstantHeightMode）获得，也就是在x、y扫描过程中，不使用反馈回路，保持针尖与样品之间的距离恒定，检测器直接测量微悬臂z方向的形变量来成像。这种方式由于不使用反馈回路，可以采用更高的扫描速度，通常在观察原子、分子像时用得比较多，而对于表面起伏较大的样品不适合。针尖和样品之间的作用力F与微悬臂的形变Δz之间遵循虎克定律F＝k·ΔzAFM原理----恒力AFM原理----反馈原理AFM原理----反馈原理比例、微分(LookAhead)气球移动得非常快积分(LookBehind)对过去的轨迹进行分析，以预测未来的轨迹下面以DI公司的Nanoscope系列的AFM为例，介绍光束偏转法检测的实现过程及其特点。DI公司采用四象限光电二极管检测器。不同的操作模式（详见后述）下，四象限检测器的四个单元组合提供不同的信息。四象限总信号SUM=A+B+C+D。在接触模式下，上部两个单元（A和B）和下部两个单元（C和D）的差分信号VerticalDifferentialSignal＝经过放大后可以直接作为微悬臂形变量的度量。与此相似，左面两个单元（A和C）与右面两个单元（B和D）的差分信号LateralDifferentialSignal＝可以作为横向力显微镜（LateralForceMicroscope，LFM，也可称为摩擦力显微镜，FrictionForceMicroscope，FFM）微悬臂扭转量的度量。微悬臂的形变检测涉及激光束在微悬臂上的反射，这就要求微悬臂的背面应该有足够大的光亮的光学反射面，而且为了获得较大的灵敏度，针尖与样品之间的微小的力应该能够转换成为激光束在检测器上的较大位移。实现这一点可以从两个方面入手，一是减小微悬臂的力常数k，一是增大微悬臂和检测器之间的距离。微悬臂的力常数越小，灵敏度越高，但也势必会造成热涨落和振动噪音水平的提高。微悬臂和检测器之间的距离也不能太长，否则，光源和检测器中的照射噪音和空气的波动就会对光路造成较大的干扰，使得噪音水平提高。在轻敲模式（TappingMode）下，反馈回路控制微悬臂在一个恒定的振幅下振动，这样光电检测器上的光斑就垂直振荡，振荡的信号经过光电二极管的整流和低通滤波转换成直流电压信号（RMS振幅），RMS振幅就可以作为微悬臂运动的度量。微小形变的检测----光束偏转法

将微悬臂作为一个电极，在微悬臂上方设置一个STM针尖作为另一个电极，微悬臂的微小变形就会引起隧道结距离的变化，从而引起隧道电流的剧烈变化，通过反馈回路控制AFM样品和STM针尖做相反的运动，保持隧道电流的恒定，也就是保持隧道间隙的恒定，就可以获取表面形貌的高分辨图像。

微小形变的检测----隧道电流检测法

隧道电流法的灵敏度相当高，z方向的分辨率可达0.01nm，但是信噪比较低。主要原因有两个：一是在大气环境下工作时，微悬臂或者STM针尖的污染会造成隧道电流无法准确测定；二是微悬臂的热振动和热漂移会造成隧道电流的较大变化，热噪音的水平较高。这种检测方法适合于高真空环境下工作的AFM系统。原子力显微镜结构

----实物

原子力显微镜结构

----实物

原子力显微镜结构

----结构图原子力显微镜结构

----四象限检测器原子力显微镜结构

----扫描器

压电陶瓷

原子力显微镜结构

----扫描器原子力显微镜结构

----探针

AFM的主要工作模式AFM的主要工作模式AFM工作模式

----ContactMode(接触式）通常情况下，接触模式都可以产生稳定的、分辨率高的图像。但是这种模式不适用于研究生物大分子、低弹性模量样品以及容易移动和变形的样品。AFM工作模式

----ContactMode(接触式）ContactModeAFMImageofAl/CualloyfilmdepositedonSi10µmscanAFM工作模式

----ContactMode(接触式）HexagonalLatticeofBacterialProteinImagedwithContactModeinFluid200nmscanAFM工作模式

----ContactMode(接触式）ThelateraltorqueortwistingofthecantileverduringscanningismonitoredtodetectrelativedifferencesinfrictionContactMode(接触式）

----LFM（横向力显微镜）ContactMode(接触式）

----LFM（横向力显微镜）30µmscanContactMode(接触式）

----LFM（横向力显微镜）ContactMode(接触式）

----LFM（横向力显微镜）AFM工作模式

----NonContactMode(非接触式）在非接触模式中，针尖在样品表面的上方振动，始终不与样品接触，探测器检测的是范德华作用力和静电力等对成像样品没有破坏的长程作用力。当针尖和样品之间的距离较长时，分辨率要比接触模式和轻敲模式都低。这种模式的操作相对较难，通常不适用于在液体中成像，在生物中的应用也很少。NonContactMode(非接触式）

----EFM(电场力显微镜）电场力模式下的饱和三极管图像NonContactMode(非接触式）

----MFM(磁场力显微镜）HighfrequencydatatracksoverwrittenwithlowfrequencyperiodicsignalHeightFrequency25µmscanNonContactMode(非接触式）

----MFM(磁场力显微镜）Thepoles,shields,andMRsensorcanbeidentifiedeasilyintheMFMimage15µmscanNonContactMode(非接触式）

----MFM(磁场力显微镜）NonContactMode(非接触式）

----MFM(磁场力显微镜）NonContactMode(非接触式）

----MFM(磁场力显微镜）AFM工作模式

----TappingMode(半接触式）

空气中的自由震荡

样品表面的减幅震荡

轻敲模式的分辨率和接触模式一样好，而且由于接触时间非常短暂，针尖与样品的相互作用力很小，通常为1皮牛顿（pN）-1纳牛顿（nN），剪切力引起的分辨率的降低和对样品的破坏几乎消失，所以适用于对生物大分子、聚合物等软样品进行成像研究。对于一些与基底结合不牢固的样品，轻敲模式与接触模式相比，很大程度地降低了针尖对表面结构的“搬运效应”。ThecantileverdeflectionamplitudeismonitoredtodeterminerelativevariationsinelasticityandstiffnessTappingMode(半接触式）

----ForceModulation(力调制）TappingMode(半接触式）

----ForceModulation(力调制）ForceModulationImageofTriblockCopolymerThephaselagbetweencantileveroscillationandoscillationsignalsenttothepiezodrivingthecantileveraremonitoredtomapmaterialsdifferences,suchasadhesionandviscoelasticityMeasuredsimultaneouslyduring

TappingModeimagingTappingMode(半接触式）

----PhaseImaging(相位成像）LignincomponentappearsbrightinphaseimagePhaseimagehighlightscellulosemicrofibrilsHeightPhase3µmscanTappingMode(半接触式）

----PhaseImaging(相位成像）Phaseimagehighlightsthetwo-componentstructureofcompositeregionsHeightPhase5µmscanTappingMode(半接触式）

----PhaseImaging(相位成像）AFM工作模式

----LiftMode综合接触式和非接触式在接触模式力曲线测量过程中，压电陶瓷管移动到当前x,y扫描区域的中心位置，然后停止x,y方向上的扫描，仅在z方向上施加一周期性三角波电压信号。这样使样品周期性地与针尖逼近、接触，然后离开。在此过程中，AFM光学系统实时地记录微悬臂的形变量并对压电陶瓷管的位移量作图，即得AFM力曲线。AFM工作模式

----ForceCurve

随着样品与针尖逐渐逼近，它们之间范德华引力将使微悬臂面向样品表面弯曲。当二者逼近到某一点（位置2）时，它们之间的引力随距离变化的斜率超过了微悬臂的弹性常数。在这种情况下由于机械上的不稳定性，二者会突然接触到一起，可形象地称之为“突触点”(SnapintoContactPoint)。接触区对应于样品和针尖相互接触而共同移动的情况。典型的接触模式AFM力曲线示意图

下图为一典型的接触模式力曲线示意图。力曲线中微悬臂的弯曲与其力常数的乘积即为针尖与样品之间的作用力。力曲线一般可分为三个区：非接触区、接触区和粘滞区。在非接触区样品远离针尖，作用力可忽略不计，微悬臂不发生弯曲，非接触区为一水平直线（位置1）。如果针尖和样品在接触时都没有弹性或塑性形变，样品所走过的距离与微悬臂的弯曲量相同。当样品走至某一预设位置（位置3）后，则向相反方向移动，微悬臂的弯曲随之逐渐减小。

在位置4，微悬臂弯曲为零，但是由于针尖与样品间的粘附作用，二者仍粘在一起，并随着样品继续向远离针尖方向移动，微悬臂由背向样品弯曲变为面向样品弯曲，此区为力曲线的第三区-粘滞区。当微悬臂积蓄的弹力超过二者之间的粘滞力时，针尖突然与样品离开，微悬臂恢复非弯曲状态，力曲线又重新进入非接触区（位置5到位置6）。我们形象称位置5为“崩离点”(PulloffPoint)。由这一点到位置6之间微悬臂弯曲的差值可以计算出针尖与样品之间粘滞力的大小。由力曲线接触区斜率可以对表面微区硬度、弹性模量、杨氏模量等进行精确测定，根据表面粘滞力的大小可以解析出样品的某些表面性质，而由非接触区的粘滞情况可以估计力曲线测定所在介质的粘度等参数。ForceCurve(力曲线）

----接触式力曲线

轻敲式力曲线和接触式力曲线相似，x，y方向的扫描停止，在z方向上施加周期性的三角波电压信号，使振荡的针尖逼近、接触再远离样品表面。与接触式力曲线不同的是，轻敲式力曲线记录的是振荡的微悬臂的振幅、相位或形变量，并对压电陶瓷管位移量作图。当针尖远离样品表面时，微悬臂自由振荡，振幅较大且保持不变；当针尖与样品表面接触时（图a的位置1），由于样品对微悬臂振荡的阻尼作用，振幅突然减小。随着针尖与样品距离的逐渐减小，微悬臂的振幅急剧降低，直至振荡完全被阻滞，振幅减小为零（图a的位置2）。典型的轻敲模式力曲线示意图。a)微悬臂的振幅随针尖与样品间距离变化的关系;b)微悬臂的变形量随针尖与样品间距离变化的关系。ForceCurve(力曲线）

----轻敲式力曲线由于微悬臂振荡的阻尼来源于针尖和样品的机械－声子耦合，所以1点和2点区间的直线的斜率可以表征样品的刚性、弹性等力学性能。由于TappingMode的微悬臂硬度较大，所以直到振荡完全被阻尼之后，微悬臂才开始有形变（图b的位置3），当样品走至某一预设位置（图b的位置4）后，则向相反方向移动，微悬臂的弯曲随之逐渐减小，而在3和4之间，微悬臂很容易被破坏，所以轻敲式力曲线在操作过程中应十分小心。在轻敲模式中，以微悬臂振荡的相位－频率图的形式表征针尖与样品之间的作用力，可以获得更为精细的针尖-样品之间相互作用力的信息（如远程吸引力和排斥力），而且针尖与样品接触区域的相位－频率图也可以更为准确地表征样品的硬度、粘弹性等力学性能，引起了越来越多的研究者的关注。ForceCurve(力曲线）

----轻敲式力曲线AFM技术应用举例AFM可以在大气、真空、低温和高温、不同气氛以及溶液等各种环境下工作，且不受样品导电性质的限制，因此已获得比STM更为广泛的应用。主要用途包括： 1、导体、半导体和绝缘体表面的高分辨成像 2、生物样品、有机膜等的高分辨成像 3、表面化学反应研究 4、纳米加工与操纵 5、超高密度信息存储 6、分子间力和表面力研究 7、摩擦学及各种力学研究 8、在线检测和质量控制ThehigheratomsareTelluriumandtheloweratomsareSulfurAFM技术应用举例

---高分辨成像AFM技术应用举例

---高分辨成像蛋白质分子（majorintrinsicprotein，MIP）的高分辨AFM图像AFM技术应用举例

---高分辨成像AFM技术应用举例

---高分辨成像多壁碳纳米管针尖的SEM照片（右图为放大图，Si3N4衬底）AFM技术应用举例

---高分辨成像使得AFM针尖尖细可以避免或减小针尖放大效应AFM技术应用举例

---纳米加工AFM技术应用举例

---纳米加工AFM技术应用举例

---纳米加工AFM技术应用举例

---纳米加工石墨表面上的金纳米电阵(2µm2µm)——AFM场致蒸发技术金钯合金上刻写的唐诗(10µm10µm)——AFM机械刻蚀技术硅（111）面上的氧化硅点阵——AFM局域氧化技术硅（111）面上形成的硅纳米柱——金纳米粒子掩模AFM刻蚀技术M.Despontetal,SensorsandActuators80(2000)100.

M.I.Lutwycheetal,Appl.Phys.Lett.77(2000)3299.2.5mAFM技术应用举例

---纳米加工AFM技术应用举例

---微小力的测量AFM教学视频AFM视频fromNNINTheCornellNanoscaleFacilityatCornellUniversityTheStanfordNanofabricationFacilityatStanfordUniversityTheSolidStateElectronicsLaboratoryattheUniversityofMichig