扫描探针显微技术之二――原子力显微镜(AFM)技术

1、原子力显微镜 Atomic Force Microscopy,主要内容,发展历史,基本原理,应用,scanning tunneling Microscopy (STM，1982) Atomic force microscopy (AFM) Lateral Force Microscopy (LFM) Magnetic Force Microscopy (MFM) Electrostatic Force Microscopy (EFM) Chemical Force Microscopy (CFM) Near Field Scanning Optical Microscopy (NSOM),扫描

2、探针显微镜SPM,SPM是指在STM基础上发展起来的一大类显微镜，通过探测极小探针与表面之间的物理作用量如光、电、磁、力等的大小而获得表面信息。,Force）作用来呈现样品的表面特性,基本原理,基本原理,微悬臂,激光二极管,光电检测器,基本原理,AFM信号反馈模式,基本原理,微悬臂位移量的检测方式,力检测部分,光学检测部分,反馈电子系统,压电扫描系统,计算机控制系统,仪器构成,接触模式 (contact mode) 非接触模式 (non-contact mode) 轻敲模式 (tapping / intermittent contact mode),van der Waals force cu

3、rve,工作模式,针尖始终向样品接触并简单地在表面上移动，针尖样品间的相互作用力是互相接触原于的电子间存在的库仑排斥力，其大小通常为108 1011N。,van der Waals force curve,工作模式-接触模式,d .nm,优点：可产生稳定、高分辨图像。 缺点： 可能使样品产生相当大的变形，对柔软的样品造成破坏，以及破坏探针，严重影响AFM成像质量。,工作模式-接触模式,相互作用力是范德华吸引力，远小于排斥力.,van der Waals force curve,d: 520nm 振幅：2nm5nm,工作模式-非接触模式,范德华吸引力,微悬臂以共振频率振荡，通过控制微悬臂振幅恒定

4、来获得样品表面信息的。,优点：对样品无损伤 缺点： 1）分辨率要比接触式的低。 2）气体的表面压吸附到样品表面，造成图像 数据不稳定和对样品的破坏。,工作模式-非接触模式,介于接触模式和非接触模式之间: 其特点是扫描过程中微悬臂也是振荡的并具有比非接触模式更大的振幅(5100nm)，针尖在振荡时间断地与样品接触。,van der Waals force curve,振幅：5nm 100nm,工作模式-轻敲模式,特点： 1）分辨率几乎同接触模式一样好； 2）接触非常短暂，因此剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失；,工作模式-轻敲模式,工作模式-轻敲模式,相位成像(phase imaging)技术

5、 通过轻敲模式扫描过程中振动微悬臂的相位变化 来检测表面组分,粘附性,摩擦,粘弹性和其他性质 的变化.,基本原理,基本原理,原子力显微镜之解析度,基本原理,基本原理,基本原理,氮化硅探针针尖放大图,基本原理,为克服“加宽效应”： 一方面可发展制造尖端更尖的探针技术， 另一方面对标准探针进行修饰也可提高图像质量。,针尖技术,单碳纳米壁管 直径0. 75 nm,基本原理,AFM技术的主要特点:,优点: 制样相对简单,多数情况下对样品不破坏. 具有高分辨率，三维立体的成像能力， 可同时得到尽可能多的信息. 操作简单,对附属设备要求低.,缺点: 对试样仍有较高要求,特别是平整度. 实验结果对针尖有较高

6、的依赖性(针尖效应). 仍然属于表面表征技术,需和其他测试手段结合.,主要内容,发展历史,工作原理,应用,原子力显微镜的应用 金属 半导体材料 化学 纳米材料 生命科学 微加工技术 ,用AFM观察DNA双螺旋结构,用AFM观察细胞生长,用AFM观察集成电路的线路刻蚀情况,高分子领域的应用,聚合物膜表面形貌与相分离观察,Kajiyama等人应用AFM研究了单分散聚苯乙烯(PS)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混成膜的相分离情况。 膜较厚时(25), 看不到分相。膜厚100n时,可以得到PMMA呈岛状分布在PS中的AFM图象。,聚合物膜表面形貌与相分离观察,对非晶态聚合物膜,形貌图信息较为有限。A

7、FM“相成像”方式 (phase imaging)得到的数据与样品表面硬度和粘弹性有关，可以观察相分离即使在样品表面相对“平坦”的情况下,也能较好地反映出聚合物的相分离后,不同类型聚合物的所在区域。,高分子结晶形态观察,聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物的苯溶液在膜槽内分散,而后在极低的表面压下(0.1/)将分子沉积在新鲜云母表面。,非晶态单链高分子结构观察,AFM在聚合物膜研究中的应用,1 表面整体形态研究,2 孔径(分布),粒度（分布）研究,3 粗糙度研究,1 表面整体形态研究,2 孔径(分布),粒度（分布）研究,Section analysis of TM-AFM image.,Tapping mode atomic force micrographs,3 粗糙度研究,粗糙度（Surface roughness）表示膜表面形态间的差异，影响着膜的物理和化学性能、膜表面的污染程度和膜的水通量。,膜污染研究-超滤膜或微滤膜,新