原子力显微镜的成像原理

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1、原子力显微镜的成像原理原子力显微镜的成像原理什么是原子力显微镜？为何要用到原子力显微镜？原子力显微镜是如何工作的？怎样操作原子力显微镜？如何对原子力显微镜的数据进行分析？原子力显微镜有哪些应用？目录1.原子力显微镜与电子显微镜的差别2.原子力显微镜的成像模式 2.1 接触成像模式 2.2 非接触成像模式 2.3 轻敲成像模式 2.4 升降成像模式3.原子力显微镜的分辨率 原子力显微镜用“探针”摸索世界 MultiMode-8 MultiMode-8 原子力显微镜原子力显微镜原子力显微镜与电子显微镜的对比1.1.适用于液体适用于液体2.2.相对非破坏性相对非破坏性3.3.三维成像三维成像4.4.

2、样品无需固定，脱水，染色，冻结，标记样品无需固定，脱水，染色，冻结，标记5.5.高分辨率高分辨率6.6.可以对样品的机械性能进行评估可以对样品的机械性能进行评估7.7.设备小，无需太多维护设备小，无需太多维护成像模式接触模式contact mode of imaging在接触式AFM中，探针与样品表面进行“软接触”。我们通过检测悬臂的弯曲获得数据。针尖与样品接触样品表面起伏不平带动微悬臂弯曲变化光路发生变化信号转换通过反馈系统调节记录在垂直方向上扫描器的位移Multimode scanning probe microscope instruction manual.Digital Instru

3、ments,1998使用弹性系数小（软）的探针，我们可以进行样品形貌观察。使用弹性系数大（硬）的探针，我们可以得到样品力学信息和进行表面装饰殷敬华,莫志深.现代高分子物理学M.北京.科学出版社.2001.409-418在在接接触触成成像像模模式式中中，除除了了范范德德华华力力之之外外，还还有有毛毛细细作作用用力力和和探探针针悬臂弹簧力悬臂弹簧力。毛细作用力毛细作用力取决于探针与样品之间的距离（使其与表面之间的水膜均匀，可以使毛细作用力稳定）（使其与表面之间的水膜均匀，可以使毛细作用力稳定）弹簧臂弹力（可变力）弹簧臂弹力（可变力）取决于探针的弯曲程度和弹性常数优点：可很好的反映出样品表面污染层的

4、粘度以及样品表面各点处不同的弹性属性。缺点：因针尖拖过样品会使针尖划伤样品，横向力的存在不利于表面结合弱和软的样品分析。殷敬华,莫志深.现代高分子物理学M.北京.科学出版社.2001.409-418 接触成像模式/非接触成像模式成像模式非接触成像模式non-contact mode of imaging扫描过程中，针尖不接触样品。在样品表面吸附的液质薄层震动，共振导致振幅发生变化，通过检测这种变化来得到所需数据。探针在样品表面震动吸引力降低微悬臂共振频率振幅发生变化检查到信号反馈机制使振幅恒定，保持探针与样品的距离（恒力）Multimode scanning probe microscope

5、instruction manual.Digital Instruments,1998非非接接触触成成像像模模式式探探针针尖尖一一般般选选择择较较硬硬的的微微悬悬臂臂，因因为为在在非非接接触触区，较软的悬臂会被拉向样品表面与之接触。区，较软的悬臂会被拉向样品表面与之接触。非非接接触触区区分分子子小小作作用用力力以以及及硬硬的的探探针针都都将将降降低低信信号号使使之之更更难难测测量，因此，还需要选择敏感的探测器。量，因此，还需要选择敏感的探测器。优优点点：不不破破坏坏样样品品表表面面，适适合合柔柔软软或或吸吸附附样样品品的的检检测测，特特别别适适合检测有生命的生物样品。合检测有生命的生物样品。缺

6、缺点点：针针尖尖和和样样品品之之间间分分离离，引引起起横横向向分分辨辨率率较较低低，不不能能得得到到样品的精细样貌。样品的精细样貌。李晓刚.原子力显微镜（AFM）的几种成像模式研究D.大连理工大学,2004成像模式轻敲成像模式 tapping mode of imaging轻敲模式是介于接触模式与非接触模式之间的成像技术，与非接触AFM更相似针尖与样品间有更近的距离。同样也是通过检测振幅变化来得到数据。恒定驱动力使探针悬臂震动检测系统检测到振幅反馈系统使振幅恒定通过记录反馈系统中的调节器的移动的变化得到数据Multimode scanning probe microscope instruct

7、ion manual.Digital Instruments,1998 轻敲成像模式轻敲AFM集中了接触式分辨率高和非接触式对样品损害小的优点，得到了既反映真实形貌又不破坏样品的图像。李晓刚.原子力显微镜（AFM）的几种成像模式研究D.大连理工大学,2004敲击式AFM的线性操作范围宽，为反馈系统提供了足够高的稳定性，保证了样品检测的重现性。殷敬华,莫志深.现代高分子物理学M.北京.科学出版社.2001.409-418成像模式升降成像升降成像模式检测共振频率和振幅的变化来获得样品信息。首先获得高度信息把探针抬到设定的高度（一般为10100nm）沿形貌图路线扫描样品得到除去高度影响的静电力和磁力

8、分布的图像。以这种方法成像，针尖和样品的距离不受形貌的影响，所得到的图像反映针尖与样品长程作用力的变化，如磁力分布等。殷敬华,莫志深.现代高分子物理学M.北京.科学出版社.2001.409-418原子力显微镜的分辨率原子力显微镜分辨率侧向分辨率垂直分辨率侧向分辨率侧向分辨率取决于采集图像的步宽和针尖形状。步宽因素：步宽越短，分辨率越高殷敬华,莫志深.现代高分子物理学M.北京.科学出版社.2001.409-418针尖因素：针尖的形状是影响侧向分辨率的重要因素。影响成像主要表现在针尖的曲率半径和针尖的侧面角曲率半径决定了最高侧向分辨率探针侧面角决定最高表面比率特征的探测能力曲率半径越小，越能分辨精细结构。针尖变钝会使灵敏度下降或失真，但不影响样品垂直分辨率。样品的陡峭面分辨程度决定于针尖的侧面角大小，侧面角越小，分辨陡峭的样品表面能力就越强。殷敬华,莫志深.现代高分子物理学M.北京.科学出版社.2001.409-418垂直分辨率AFM的垂直分辨率与针尖无关，由仪器本身决定，与下面几种因素有关：1.扫描器分辨率2.噪音影响（噪音是影响垂直最高分辨率的决定因素，包括电源，声源和机械振动等因素）3.AFM像素影响（与AFM仪器本身有关）殷敬华,莫志深.现代高分子物理学M.北京.科学出版社.2001.409-418 谢谢！欢迎批评指正！