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1、原子力显微镜Atomic Force Microscope,显微镜的发展史AFM的基本原理AFM的基本结构AFM的工作模式AFM的应用,原子力显微镜(AFM),显微镜的发展历史,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公司的Binning和Stanford大学的Quate,扫描探针显微镜,原子力显微镜（AFM）是继扫描隧道显微镜（STM）之后发明的一种具有原子级高分辨率的新型仪器，典型AFM的侧向分辨率(x，y方向)可达到2nm，垂直分辨率(z方向)小于0.1 nm。可以在大气和液体环境下对各种材料和样品
2、（金属、半导体、绝缘体）表面进行纳米区域的形貌探测，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）,AFM现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研究，成为各种纳米相关学科研究的基本工具。,AFM的基本原理,AFM是在STM的基础上发展起来的。所不同的是，它不是利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范德华力作用来呈现样品的表面特性。,假设两个原子，一个是在探针尖端，另一个是在样本表面，随着它们之间的距离发生变化，它们间的作用力也随之改变。原子力显微镜就是利用这种原子间距离和作用力的对应关系来把样品表面的原子形貌
3、呈现出来。,AFM的硬件结构,组成AFM的构件主要有：1、探针系统2、扫描系统3、检测系统4、反馈系统,1、探针系统 探针组件是AFM的关键部分。由微悬臂和微悬臂末端的针尖组成。 随着精细加工技术的发展，人们已经能制造出各种形状和特殊要求的针尖。 微悬臂是由Si或Si3N4经光刻技术加工而成的微悬臂的背面镀有一层金属以达到镜面反射。,AFM探针的针尖,2、扫描系统 AFM对样品扫描的精确控制是靠扫描器来实现的。扫描器中装有压电转换器，压电装置在X，Y，Z三个方向上精确控制样品或探针位置。 目前构成扫描器的基质材料主要是由钛锆酸铅Pb(Ti,Zr)O3制成的压电陶瓷材料。压电陶瓷有压电效应，压电
4、陶瓷能将1mV1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。,3、检测系统 获得样品表面形貌是通过检测微悬臂位置的变化而实现的。检测微悬臂位置变化的主要方法有： 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,激光反射检测法 激光器发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器。 在扫描样品时，随着样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的作用力的变化，微悬臂将随样品表面形貌变化而上下起伏，反射光束也将随之偏移，将光斑位置转化为电信号后，再经计算机处理就能反映出样品表面的形貌。,隧道电流检测法 是基于STM原理实现的。将微悬臂
5、背面与一微小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变化而上下起伏，进而使其与STM探针的位置也发生相应的变化，导致隧道电流发生指数级的变化，那么测量原理就间接变成了STM的测量原理。,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的。AFM的运行是在高速、功能强大的计算机控制下来实现的。控制系统主要有两个功能：(1)提供控制压电转换器X-Y方向扫描的驱动电压；(2)在恒力模式下维持来自显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的作用，电子线路为压电陶瓷管提供电压、接收位置敏感器件传来
6、的信号，并构成控制针尖和样品之间距离的反馈系统。,AFM的几种工作模式,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）通过微悬臂的变形进行测量。 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的作用力较大，适合表面结构稳定的样品。,轻敲模式： 用处于共振状态、上下振荡的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的振幅产生相应变化，从而得到样品的表面形貌。 该模式下，针尖对样品进行“敲击”，两者间只有瞬间接触，能有效克服接触模式下针尖引起的相互损伤，适合于柔软或吸附样品的检测。,相位移模式： 该模式是轻敲模式的重要扩展技术，通过检测驱动微悬臂探
7、针振动的信号源的相位角与微悬臂探针检测时实际振动的相位角之差（即两者的相移）的变化来成像。 引起该相移的因素很多，如样品的组分、硬度、粘弹性质等。因此可在纳米尺度上获得样品表面局域性质的丰富信息。,AFM的工作环境,原子力显微镜受工作环境限制较少，它可以在超高真空、气相、液相和电化学的环境下操作。(1)真空环境：真空环境可以避免大气中杂质和水膜的干扰，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，但其操作比较容易，它是广泛采用的一种工作环境。它可以在空气中研究任何固体表面，不受样品导电性的限制。,(3)液相环境：液相环境中，AFM消除了针尖和样品之间的毛细现象，因此
8、减少了针尖对样品的总作用力。液相AFM可以在液相中研究样品的形貌，其应用十分广阔，可用于生物体系、腐蚀或液固界面的研究。(4)电化学环境：电化学AFM是在原有AFM基础上添加了电解池、双恒电位仪和相应的应用软件。电化学AFM可以现场研究电极的性质包括化学和电化学过程诱导的吸附、腐蚀以及有机和生物分子在电极表面的沉积和形态变化等。,AFM的优点,光学显微镜和电子显微镜成像时都受电磁衍射的影响，这给它们辨别三维结构带来困难，所以它们只能提供样品表面的二维图像，AFM能够提供真正的三维表面图。 AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，不会对样品会造成不可逆转的伤害。 电子显微镜需要运行在高真空
9、条件下，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织。,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,AFM假象,AFM的优点是光或电对它成像基本没有影响，AFM能测得表面的真实形貌尽管AFM成像简单，AFM本身也有假象存在相对来说，AFM的假象比较容易验证下面介绍一些假象情况：,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
10、尖特征高表面率的针尖可以减少这种假象发生,AFM假象,2.钝的或污染的针尖产生假象：当针尖污染或有磨损时，所获图像有时是针尖的磨损形状或污染物的形状这种假象的特征是整幅图像都有同样的特征。,AFM假象,3.双针尖或多针尖假象：这种假象是由于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。,AFM假象,4.样品上污物引起的假象：当样品上的污物与基底吸附不牢时，污物可能被正在扫描的针尖带走并随针尖运动，致使大面积图像模糊不清。,AFM假象,5.样品-针尖间的作用力太小：探针不能顺利地扫描样品而出现横向拉伸现象。此时可以通过调节振幅衰减量来调节作用力。,AFM假象
11、,AFM相关的显微镜及技术,AFM能被广泛应用的一个重要原因是它具有开放性。 在AFM基本操作系统基础上，通过改变探针、成像模式或针尖与样品间的作用力就可以测量样品的多种性质下面是一些与AFM相关的显微镜和技术：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),AFM的应用,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,首次利用原子力显微镜获得单个分子（并五苯）的内部结构Science, 2009; 325, 1428 1431.,火星土壤,DVD光盘表面（接触模式）,云母的原子像（接触模式）,云母片上的抗体分子的 AFM成像,蝴蝶翅膀的AFM成像,生物样品,霍乱菌,-DNA,遭疟疾感染的人体红血球和蓝藻,纳米加工： 利用AFM可以对样品进行表面原子搬运，原子蚀刻，从而制造纳米器件。,用AFM针尖移动Si原子形成的IBM文字,
