《AFM的原理及应用》PPT课件.ppt

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1、Atomic Force Microscopy 原子力显微镜（ AFM） 目录 ： AFM的发展历史 AFM的原理 AFM的分类 AFM机器的组成 影响 AFM分辨率的因素 AFM技术应用举例 照片举例 AFM的缺点 高级显微镜 1938年，德国工程师 Max Knoll和 Ernst Ruska 制造出了世界上第一台透射电子显微镜（ TEM） 1952年，英国工程师 Charles Oatley制造出了 第一台扫描电子显微镜（ SEM） 至此，电子显微镜的分辨率达到纳米级 1983年， IBM公司苏黎世实验室的两位科学家 Gerd Binnig和 Heinrich Rohrer发明了扫描隧

2、道显微镜（ STM） 应用电子的 “ 隧道效应 ” 这一原理，对导体或 半导体进行观测 隧道效应 经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小 于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行车 过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。 如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。 量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向 势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好像有一个 隧道，故名隧道效应（ quantum tunneling）。可见，宏观上 的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下， 隧道效应并不影响经典的宏观效应，因

3、为隧穿几率极小，但在 某些特丁的条件下宏观的隧道效应也会出现。 AFM出现的意义 STM的原理是电子的 “ 隧道效应 ” ，所以只能 测导体和部分半导体 1985年， IBM公司的 Binning和 Stanford大学的 Quate研发出了原子力显微镜（ AFM），弥补了 STM的不足 返回 成 像 原 理 Expulsive force atom atom Attractive force atom atom 恒定力量或者恒定高度 探针如何成像 表面形貌和材料如何测量 返回 X Y Z Mover 垂直信號的變化 即樣本的表面變化 Cantilever 擺動 的方向 X Y Z Mover

4、 Cantilever 擺動 的方向 水平信號的變化 即樣本的材質變化 AFM有多种工作模式 1. 接触模式（ Contact Mode）：作用力在斥力范围，力 的量级为 10 910 8N，或 110eV/。可达到原子级 分辨率。 2. 非接触模式（ Non-Contact Mode）：作用力在引力范 围，包括范德华力、静电力或磁力等。 3. 轻敲模式（ Tapping Mode） 4. Interleave模式（ Interleave Normal Mode/Lift Mode） 5. 力调制模式（ Force Modulation Mode） 6. 力曲线模式（ Force Curve

5、Mode） 接触式原子力显微镜 接触式 AFM是一个排斥性的模式，探针尖端和 样品做柔软性的“实际接触”，当针尖轻轻扫 过样品表面时，接触的力量引起悬臂弯曲，进 而得到样品的表面图形。 由于是接触式扫描，在接触样品时可能会是样 品表面弯曲。 经过多次扫描后，针尖或者样品有钝化现象。 特点： 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。 接触式（ contact mode） 非接触式原子力显微镜 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

6、没有破坏的长程 作用力。 需要使用较坚硬的悬臂（防止与样品接触）。 所得到的信号更小，需要更灵敏的装置，这种 模式虽然增加了显微镜的灵敏度，但当针尖和 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。 特点： 由于为非接触状态，对于研究柔软或有弹性的 样品较佳，而且针尖或者样品表面不会有钝化 效应，不过会有误判现象。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。 非接触式（ non contact mode） 间歇接触式原子力显微镜 微悬臂在其共振频率附近做受迫振动，振荡的 针尖轻轻的敲击表面，间断地和样品接触。当 针尖与样品不接触时，微悬臂以最大振幅自

7、由 振荡。当针尖与样品表面接触时，尽管压电陶 瓷片以同样的能量激发微悬臂振荡，但是空间 阻碍作用使得微悬臂的振幅减小。反馈系统控 制微悬臂的振幅恒定，针尖就跟随表面的起伏 上下移动获得形貌信息。 类似非接触式 AFM，比非接触式更靠近样品表 面。损害样品的可能性比接触式少（不用侧面 力，摩擦或者拖拽）。 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。 特点： 对于一些与基底结合不牢固的样品，轻敲模式

8、 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 ”。 样品表面起伏较大的大型扫描比非接触式的更 有效。 间歇接触式（ tapping mode） 返回 原子力显微镜的构成 在原子力显微镜的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检 测部分、反馈系统。 力检测部分： 在原子力显微镜（ AFM）的系统中，所要检测的 力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是 使用微小悬臂（ cantilever）来检测原子之间力的变 化量。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、 弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照 样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型 的探针。 位置

9、检测部分： 在原子力显微镜（ AFM）的系统中，当针 尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂 （ cantilever）摆动，所以当激光照射在 cantilever的末端时，其反射光的位置也会因 为 cantilever摆动而有所改变，这就造成偏移 量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置 检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以 供控制器作信号处理。 反馈系统： 在原子力显微镜（ AFM）的系统中，将信号经 由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此 信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并 驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的 移动，以保持样品与针尖保持合适的作用力。 原子力显微镜（

10、AFM）便是结合以上三个部分来将 样品的表面特性呈现出来的：在原子力显微镜 （ AFM）的系统中，使用微小悬臂（ cantilever） 来感测针尖与样品之间的交互作用，测得作用力。 这作用力会使 cantilever摆动，再利用激光将光照 射在 cantilever的末端，当摆动形成时，会使反射 光的位置改变而造成偏移量，此时激光检测器会记 录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利 于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性以 影像的方式给呈现出来。 返回 提高图像分辨率 1、发展新的技术或模式来提高分辨率，即从硬件 设备以及成像机理上提高成像分辨率。如最近 Fuchs等发明的 Q控制技

11、术，可以提高成像分辨率 和信噪比。采用力调制模式或频率调制模式等也 可以有效提高成像分辨率。 2、选择尖端曲率半径小的针尖，减小针尖与样品 之间的接触面积，减小针尖的放大效应，以提高 分辨率。 3、尽量避免针尖和样品表面的污染。如果针尖上有污染物 ，就会造成与表面之间的多点接触，出现多针尖现象，造成 假像。如果表面受到了污染，在扫描过程中表面污染物也可 能粘到针尖上，造成假像的产生。 4、控制测试气氛，消除毛细作用力的影响。由于毛细作用 力的存在，在空气中进行 AFM成像时会造成样品与针尖的接 触面积增大，分辨率降低。此时，可考虑在真空环境下测定 ，在气氛控制箱中冲入干燥的 N2，或者在溶液中

12、成像等。溶 液的介电性质也可以影响针尖与样品间范德华作用力常数， 从而有可能减小它们之间的吸引力以提高成像分辨率。不过 液体对针尖的阻尼作用会造成反馈的滞后效应，所以不适用 于快速扫描过程。 AFM针尖放大效应 AFM是依靠尖端曲率半径很小的微悬臂针尖接触在 表面上进行成像，所得到的图像是针尖与样品真实 形貌卷积后的结果。 如图所示，实线代表样品的真 实形貌，虚线就是针 尖扫描所得到的表观 图像。二者之间的差 别在于针尖与样品真 实接触点和表观接触 点随针尖移动的函数 变化关系。 针尖效应不仅会将小的结构放大，而且还 会造成成像的不真实，特别是在比较陡峭 的突起和沟槽处。 一般来说，如果针尖尖

13、端的曲率半径远远 小于表面结构的尺寸，则针尖效应可以忽 略，针尖走过的轨迹基本上可以反映表面 结构的起伏变化。 微悬臂检测方法 AFM是通过检测微悬臂形变的大小来获得 样品表面形貌信息的，所以微悬臂形变检 测技术至关重要。到目前为止，检测微悬 臂形变的方式主要有以下几种： 1）隧道电流检测法 2）电容检测法 3）光学检测法 4）压敏电阻检测法 5）光束偏转法。此方法由 Meyer和 Amer于 1988年发明，简便实用，广泛应用于目前 的商品化仪器。 须指出，由于针尖 样品之间的作用力是 微悬臂的力常数和形变量之积，所以无论 哪种检测方法，都应不影响微悬臂的力常 数，而且对形变量的检测须达到一

14、纳米以 下。 返回 AFM应用技术举例 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： 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 返回 IBM科学家首次拍下单分子照片 二氧化锡薄膜 分选和搬运 火星土壤 遭疟疾感染的人体红血球和蓝藻 返回 AFM的缺点 受样品因素限制较大（不可避免） 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 针尖的放大效应