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1、微、纳米结构的形貌表征,微纳米检测技术,微纳米检测（测量）技术：针对微纳米和微（机电）系统技术领域的检测（测量）技术特点：被测量的对象尺度很小，一般在微纳米量级。以非接触测量手段为主。,测量和测量系统,测量：测量提供了有关物理变量和过程的现实状态的定量信息。测量是对客观世界重新认识的工具，也是对任何理论和设计的最终检验。测量是一切研究、设计和开发的基础，它的作用在工程中十分显著。测量系统由敏感元件（传感器）、信号转换和调理、信号记录和显示等部分组成。,几个概念,测量(measurement):以确定被测对象的量值为目的的全部操作。 计量(Metrology):与标准进行比较和衡量 or 实现测
2、量单位统一和量值准确传递。 测试(test):试验性质的测量 or 测量和试验的综合。 在实际使用中往往不严格区分测试与测量检测(detection):获取被测对象的真实信息（从客观事务中取得有关信息的过程）。 检测是意义更为广泛的测量。 检测测量+信号检出,微纳米检测技术的任务,微结构的材料特性检测微结构的几何结构特征参数检测微器件(系统)的性能检测,几个重要的分辨率,人眼： 0.2mm (250mm明视距离)光学显微镜：0.2m电子显微镜：0.2nm隧道显微镜：0.001nm,显微镜的发展,人眼人眼观察物体的能力有限。一般的情况下，在250mm的明视距离内，人眼只能分辨相距0.1-0.2m
3、m的两个物体。也就是说，当两个物体相距不到0.1mm的时候，人眼就会把它们看成是一个物体了。这个极限称为人眼的分辨本领。放大镜约在400年前，眼镜片工匠们开始磨制放大镜。当时的放大镜的放大倍数只有3X-5X。,显微镜的发展,显微镜1590年，荷兰和意大利的眼镜制造者造出类似显微镜的放大仪器。16731677年期间，列文胡克制成单组元放大镜式的高倍显微镜 19世纪70年代，德国人阿贝奠定了显微镜成像的古典理论基础。 1850年出现了偏光显微术。1893年出现了干涉显微术。1935年荷兰物理学家泽尔尼克创造了相衬显微术。,分辨率 (Resolution)显微镜能分辨的最小距离，用D表示。显微镜的鉴
4、别距离越小，分辨率越高。满足瑞利判据（艾里斑）： D = 0.61 / nsin 其中：D为分辨率；为光波波长；n为介质折射率；为物镜孔径角。孔径角由标本上一点发出的进入物镜最边缘光线L和进入物镜中心光线OA之间的夹角称为孔径角。数值孔径 (NA, Numerical Aperture)定义NA = nsin，称为物镜的数值孔径。数值孔径与显微镜的分辨率有密切关系，越短，NA越大，分辨率越高。,显微镜的几个基本概念,点光源经过光学仪器的小圆孔后，由于衍射的影响，所成的像不是一个点，而是一个明暗相间的衍射图样，中央为艾里斑。,艾里斑,瑞利判据,当一个点光源的衍射图样的中央最亮处刚好与另一个点光源
5、的衍射图样的第一级暗纹相重合时，这两个点光源恰好能被分辨。,扫描电子显微镜 （scanning electron microscope， SEM）,扫描电镜 SEM,扫描电镜全称为扫描电子显微镜，是自上世纪60年代作为商用电镜面世以来迅速发展起来的一种新型的电子光学仪器。 扫描电子显微镜的制造是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时，也可产生电子-空穴对、晶格振动 （声子)、电子振荡 （等离子体）。原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以
6、获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。,What happen when a beam of electrons hit a sample?,Incident e- Beam,Backscattered e-,Secondary e-,Cathodoluminescence,X-ray,Auger e-,Sample,Electron Range,Thick Sample,背散射电子 它是被固体样品中原子反射回来的一部分入射电子。又分弹性背散射电子和非弹性背散射电子。背散射电子的能量比较高，其约等于入射电子能量 E0。,二次电子 它是
7、被入射电子轰击出来的样品核外电子，又称为次级电子。二次电子的能量比较低，一般小于50eV；,Why SEM was developed?,Limitations of Optical Microscope(1) Resolution: optical microscope cant resolve object smaller than l/2(2) Depth of field: optical microscope has poor depth of focus (view).,1870s, a man named Ernst Abbe,特点,仪器分辨本领较高。二次电子像分辨本领可达1.0
8、nm(场发射),3.0nm(钨灯丝)；仪器放大倍数变化范围大（从几倍到几十万倍），且连续可调；图像景深大，富有立体感。可直接观察起伏较大的粗糙表面（如金属和陶瓷的断口等）；试样制备简单。块状或粉末的试样不加处理或稍加处理，就可直接放到SEM中进行观察,比透射电子显微镜（TEM）的制样简单。,(2) 扫描系统 扫描系统由扫描发生器和扫描线圈组成。它的作用是： 1) 使入射电子束在样品表面扫描，并使阴极射线显像管电子束在荧光屏上作同步扫描； 2) 改变入射束在样品表面的扫描幅度，从而改变扫描像的放大倍数。,(3) 信号收集和图像显示系统 扫描电镜应用的物理信号可分为： 1) 电子信号，包括二次电子
9、、背散射电子、透射电子和吸收电子。吸收电子可直接用电流表测，其他电子信号用电子收集器； 2) 特征X射线信号，用X射线谱仪检测；,1二次电子象,二次电子象是表面形貌衬度，它是利用对样品表面形貌变化敏感的物理信号作为调节信号得到的一种象衬度。因为二次电子信号主要来处样品表层510nm的深度范围，它的强度与原子序数没有明确的关系，便对微区表面相对于入射电子束的方向却十分敏感，二次电子像分辨率比较高，所以适用于显示形貌衬度。,注意,在扫描电镜中，二次电子检测器一般是装在入射电子束轴线垂直的方向上。,背散射电子像,背散射电子像的形成，就是因为样品表面上平均原子序数Z增大而增加，电子信号，形成较亮的区域
10、，产生较强的背散射电子信号，形成较亮的区域，而平均原子序数较低的区域则产生较少的背散射电子，在荧光屏上或照片上就是较暗的区域，这样就形成原子序数衬度。,扫描电镜的主要特点,放大倍率高分辨率高景深大保真度好样品制备简单,放大倍率高,从几十放大到几十万倍，连续可调。放大倍率不是越大越好，要根据有效放大倍率和分析样品的需要进行选择。如果放大倍率为M，人眼分辨率为0.2mm，仪器分辨率为5nm，则有效放大率 M0.2106nm5nm=40000（倍）。如果选择高于40000倍的放大倍率，不会增加图像细节，只是虚放，一般无实际意义。放大倍率是由分辨率制约，不能盲目看仪器放大倍率指标。,分辨率高,分辨率指
11、能分辨的两点之间的最小距离。 分辨率d可以用贝克公式表示： d=0.61/nsin 为透镜孔径半角，为照明样品的光波长，n为透镜与样品间介质折射率。对光学显微镜 7075，n=1.4。因为 nsin1.4，而可见光波长范围为： 400nm-700nm ，所以光学显微镜分辨率 d0.5 ，显然 d 200nm。要提高分辨率可以通过减小照明波长来实现。SEM是用电子束照射样品，电子束是一种De Broglie波，具有波粒二相性，12.26/V0.5(伏) ，如果V20kV时，则0.0085nm。目前用W灯丝的SEM，分辨率已达到3nm-6nm, 场发射源SEM分辨率可达到1nm 。高分辨率的电子束
12、直径要小，分辨率与子束直径近似相等。,景深D大,一般情况下，SEM景深比TEM大10倍，比光学显微镜（OM）大100倍。景深大的图像立体感强，对粗糙不平的断口样品观察需要大景深的SEM。,多孔SiC陶瓷的二次电子像,保真度好,样品通常不需要作任何处理即可以直接进行观察，所以不会由于制样原因而产生假象。这对断口的失效分析特别重要。,样品制备简单,样品可以是自然面、断口、块状、粉体、反光及透光光片，对不导电的样品只需蒸镀一层20nm的导电膜。 另外，现在许多SEM具有图像处理和图像分析功能。有的SEM加入附件后，能进行加热、冷却、拉伸及弯曲等动态过程的观察。,SEM在材料分析中的应用,1材料表面形
13、态（组织）观察,2断口形貌观察,2断口形貌观察,3磨损表面形貌观察,4纳米结构材料形态观察,5生物样品的形貌观察,原子序数衬度像, 扫描隧道显微镜 Scanning Tunneling Microscope-STM 原子力显微镜 Atomic Force Microscope-AFM,扫描隧道显微镜,STM的背景知识与基本原理 STM的工作原理 STM仪器组成STM的应用,一、STM的背景知识,1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛宾尼(Gerd Binnig)博士和海罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士及其同事们共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器扫描隧道显微镜(Scan
14、ning Tunneling Microscope， 简称STM)。被列为20世纪80年度世界十大科技成果之一，1986年因此获诺贝尔物理学奖。,葛宾尼(Gerd Binning),海罗雷尔(Heinrich Rohrer),STM的背景知识,使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广阔的前景，被国际科学界公认为八十年代世界十大科技成就之一。,STM的优点,具有原子级高分辨率。可实时地得到在实空间中表面的三维图象。可观察单个原子层的局部表面结构。可在真空、大气、常温等不同环境下工作，
15、甚至可将样品浸在溶液中，并且探测过程对样品无损伤。配合扫描隧道谱STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到有关表面电子结构的信息。,图 STM工作过程演示,STM,图 STM实物照片,STM简介,STM头部STM头部由支架、针尖驱动机构（扫描器）、针尖和样品组成。是STM仪器的工作执行部分。,探针及样品,机械成型法制备针尖针尖的材料主要有金属钨丝、铂-铱合金丝等针尖表面往往覆盖着一层氧化层，或吸附一定的杂质，这经常是造成隧道电流不稳、噪音大和扫描隧道显微镜图象的不可预期性的原因。因此，每次实验前，都要对针尖进行处理。 目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法、
16、机械成型法等。钨针尖的制备常用电化学腐蚀法。而铂-铱合金针尖则多用机械成型法。,安装探针,电子学控制箱是仪器的控制部分，主要实现形貌扫描的各种预设的功能以及维持扫描状态的反馈控制系统。,电子学控制箱,二、STM的基本原理,扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学的隧道效应。对于经典物理学来说，当一粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。,1、隧道效应,二、STM的基本原理,而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它的能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。,扫描隧道显微镜是将原子线度的极细探针和被研究物质
17、的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时(通常小于 1 nm)，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。隧道电流式中Vb加在针尖和样品之间的偏置电压； 平均功函数； A常数，在真空条件下约等于1。,隧道电流,由前式可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的依赖关系，当距离减小 0.1nm，隧道电流即增加约一个数量级。 因此，根据隧道电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息。如果同时对X、Y方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图。,ProblemsExternal vibrationsThermal driftElectronic
18、noiseSTM tips,SolutionsVibration damping Small and stiff design,STM的基本结构,STM instrumentation,STM的基本结构,针尖 隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问题之一。针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也影响着测定的电子态。 目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法(金属钨丝)、机械成型法(铂-铱合金丝)等。 铂-铱合金丝 金属钨丝,关键技术：（1）STM探针金属丝经化学腐蚀，在腐蚀断裂瞬间切断电流，获得尖峰，曲率半径为10 nm左右。,STM针尖,针尖的
19、制备,针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着图象的分辨率和图象的形状，而且也影响着测定的电子态。 如果针尖的最尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，那么隧道电流就会很稳定，而且能够获得原子级分辨率的图象。,STM的基本结构,压电陶瓷 由于仪器中要控制针尖在样品表面进行高精度的扫描，用普通机械的控制是很难达到这一要求的。目前普遍使用压电陶瓷材料作为x-y-z扫描控制器件。 压电陶瓷材料能以简单的方式将1mV-1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。,STM的基本结构,三维扫描控制器 单管型扫描控制器：陶瓷管的外部电极分成面积相等的四份，内壁为一整体电极，在其中一块电极上施加电压
20、，管子的这一部分就会伸展或收缩。,电子学控制系统,STM扫描模式恒流模式,初始的隧道电流设为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就会向后退，以保持隧道电流的值不变；反之，当样品表面凹进时，反馈系统将使得针尖向前移动。计算机记录了针尖上下移动的轨迹，合成起来，就可给出样品表面的三维形貌。,STM扫描模式恒高模式,保持水平高度不变，由于隧道电流随距离有着明显的变化，只要记录电流变化的曲线，就可以给出高度的变化。,Imaging modes,safe and with a physical meaning: constant local electron density topographic imag
21、ingrequires feed-back loop to maintain I constant, slow,fast, but dangerous! Better use (slow) feedback-loop for smooth height corrections (drift, topography),Constant current mode,Constant height mode,STM的其它工作模式,1、I(Z)谱测量：通过改变针尖的高度得到的一系列的隧道电流而形成的曲线。I(Z)谱可检测针尖的质量。2、I(V)谱测量：断开反馈回路，固定针尖位置，通过一系列不同的偏压下得
22、到的隧道电流而形成的曲线。,返回,STM典型图像举例,金膜表面的原子团簇图像扫描：由于颗粒比较大，所以避免采用恒高模式，而用恒流模式进行扫描。,STM典型图像举例,高序石墨原子(HOPG)图像,STM典型图像举例,Si的表面原子图像,在STM的恒流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差。STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性。动态特性差，时间分辨力低,STM本身存在着的局限性,扫描隧道显微加工技术,扫描隧道显微STM (Scanning Tunneling Microscope) 加工技术是纳米加工技术中的最新发展，可实现原子、分子的搬迁、除、增
23、添和排列重组，可实现极限的精加工，原子级的精加工,STM工作原理：基于量子力学的隧道效应。,纳米级加工方法,纳米级加工的主要方法：直接利用光子、电子、离子等基本能子的加工。 近年来纳米级加工有很大的突破，例如：用电子束光刻和离子刻蚀，己实现0.1m线宽的加工；扫描隧道显微技术已实现单个原子的去除、搬迁、增添和原子的重组。,扫描隧道显微加工原理,当两个电极之间的距离缩短到1nm时，由于量子力学中粒子的波动性，电流会在外加电场作用下，穿过绝缘势垒，从一个电极流向另一个电极。用探针在试样表面扫描时，可得到表面的纳米级三维表面形貌。STM发明最初是用于测量试样表面纳米级形貌。当扫描隧道显微镜的探针对准
24、试件表面某个原子并非常接近时，由于原子间的作用力，探针针尖可以带动该原子随针尖移动，而不脱离试件表面，实现试件表面原子搬迁。,扫描隧道显微镜(STM)，以空前的分辨率为我们揭示了一个“可见”的原子、分子世界,已成为一个可排布原子的工具。1990年人们首次用STM进行了原子、分子水平的操作。,STM由STM头部，电子学处理部分，减震系统以及计算机系统（含软件）组成。,移动原子世界上最小的广告,1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。 科学家在试验中发现STM的探针不仅能得到原子图象，而且可以将原子在一个位置吸
25、住，再搬运到另一个地方放下。这意味着人类从此可以对原子进行操纵！,1990年，美国圣荷塞IBM阿尔马登研究所D.M.Eigler等人在超真空环境中，用35个Xe原子排成IBM三个字母，每个字母高5nm，Xe原子间的最短距离为1nm，如图所示。,移动原子世界上最小的广告,氙原子在镍(110)表面排成的最小IBM商标,石墨三维图像,图 用STM观察石墨原子排列,1993年成功实现原子操纵技术铜(111)表面上的铁原子量子围栏,纳米神算子分子算盘,STM探针不仅可以将原子、分子吸住，也可以将它们象算盘珠子一样拨来拨去。科学家把碳60分子每十个一组放在铜的表面组成了世界上最小的算盘。与普通算盘不同的是
26、，算珠不是用细杆穿起来，而是沿着铜表面的原子台阶排列的? 这项试验的真正意义在于希望有一天，人们能够自下而上的通过操纵原子、分子来随心所欲地构造新的物质。,纳米神算子 分子算盘,碳60分子组成了世界上最小的算盘。,纳米绘画艺术 纳米中国,中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。,扫描隧道显微加工技术,STM的加工精度要比传统的光刻技术高的多。在当今高科技产业飞速发展的时代，由于各种器件的集成度越来越高，传统的毫微米加工技术已经接近理论的极限，因此，纳米加工技术的出现无疑给人们带来了希望。,微米与纳米加工技术可达的水平,Scanning
27、Probe Microscope（SPM）是扫描隧道显微镜及在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜（原子力显微镜AFM,LFM，MFM等等）的统称。是国际上近年发展起来的表面分析仪器，综合运用光电子技术、激光技术、微弱信号检测技术、精密机械设计和加工、自动控制技术、数字信号处理技术、应用光学技术、计算机高速采集和控制及高分辨图形处理技术等现代科技成果的光、机、电一体化的高科技产品。,STM基础上发展起的SPM,STM基础上发展起的SPM,原子力显微镜(AFM) 利用一个对微弱力极敏感的微悬臂，其末端有一微小的针尖，由于针 尖尖端原子与样品表面 原子间存在极微弱的排 斥力，通过扫描
28、时控制 这种力的恒定，同时利 用光学检测法可以测得 微悬臂对应于扫描各点 的位置变化，从而可以获得样品的表面形貌的信息。,STM基础上发展起的SPM,磁力显微镜(MFM)激光力显微镜（LFM） 静电力显微镜(EFM)弹道电子发射显微术（BEEM） 扫描离子电导显微镜（SICM） 扫描热显微镜 扫描隧道电位仪（STP） 光子扫描隧道显微镜（PSTM） 扫描近场光学显微镜（SNOM) 在STM基础上发展起来的一系列扫描探针显微镜扩展了微观尺度的显微技术，为纳米乃至微观技术的发展提供了很好的技术支持。, 原子力显微技术,为解决非导体微观表面形貌测量，借鉴STM原理，C.Binning 于1986年发
29、明原子力显微镜。当两原子间距离缩小到 级时，原子间作用力显示出来，造成两原子势垒高度降低，两者之间产生吸引力。而当两原子间距离继续缩小至原子直径时，由于原子间电子云的不相容性，两者之间又产生排斥力。,原子力显微镜（AFM）,AFM两种测量模式,接触式探针针尖与试件表面距离0.5nm，利用原子间的排斥力。由于分辨率高，目前采用较多。其工作原理是：保持探针与被测表面间的原子排斥力一定，探针扫描时的垂直位移即反映被测表面形貌。非接触式探针针尖与试件表面距离为0.51nm，利用原子间的吸引力。,原子力显微镜,AFM实物照片,扫描探针,磁盘图像,AFM探针被微力弹簧片压向试件表面，原子排斥力将探针微微抬
30、起达到力平衡。 AFM探针扫描时，因微力簧片压力基本不变，探针随被测表面起伏。 在簧片上方安装STM探针， STM探针与簧片间产生隧道电流，若控制电流不变，则STM探针与AFM探针（微力簧片）同步位移，于是可测出试件表面微观形貌。,AFM结构,The basic idea of AFM,Measure the (atomic) forces between tip and sampleTip mounted on a small, elastic cantileverContrast mechanism: deflection, bending, torsion or vibration of
31、 cantilever,Forces between (atoms of the) tip and sample (Atomic Force Microscopy, 1986),STM与AFM比较,AFM versus STM,FactsAFM can be applied on all samples, especially non-conducting surfaces not accessible to STMThe resolution is usually smaller than with STMDifferent contrast mechanisms (functionaliz
32、ed tips) allow to probe specific material properties ImplicationsApplication to insulating samples and soft matter (polymers, organic and biological samples)nano-metrology for routine and industrial applications,系统框图,1.显微镜2.隔振台3.控制箱4.计算机5.显示器,AFM的硬件架构,AFM微悬臂梁变形检测方法,光束变形原理： 一束激光经悬臂梁背面反射后，激光束的光斑大小可以给出
33、激光束在悬臂背面的平均空间分布，同时避免了悬臂检测器的力梯度干扰总的相互作用。悬臂梁的形变可利用位置灵敏检测器（PSD）来检测。,AFM微悬臂梁变形检测方法,隧道电流检测法 早期的AFM在STM的基础上加以改进，仍利用隧道电流检测探针和样品之间的相互作用。图中AFM悬臂梁上表面涂有导电材料，STM探针检测它与AFM悬臂梁上表面间的隧道电流从而间接得到AFM探针和被测样品之间的相互作用。,力曲线,图1、原子与原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离的不同而不同，其之间的能量表示也会不同,从公式中知道，当r降低到某一程度时其能量为+E，也代表了在空间中两个原子是相当接近且能量为正值，若假设r增加到某
34、一程度时，其能量就会为-E 同时也说明了空间中两个原子之距离相当远的且能量为负值。,Forces in AFM,Van der Waals (dispersion) forces (London, Casimir) originating from fluctuating dipole moments Orientation and induction forcesacting between two dipolar molecules (permanent dipoles) or induced by polarization of a neutral particle by a dipol
35、ar molecule Electrostatic forces Coulomb interaction between charged particles Capillary forces especially in liquid media, surface tension Magnetic forces between magnetized particles (MFM)Friction forces (dissipation phonons or electronic) Chemical forces between tip and sample ion valence electro
36、n (attractive, medium range)ion ion (short range - contact, repulsive),sphere of radius R in front of surface,H: Hamaker constant, material-dependent,在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间交互作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。所以在原子力显微镜中也利用斥力与吸引力的方式发展出两种操作模式：（1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜（contact AFM ），探针与试片的距离约数个。（2）利用原子吸引力的变化而产生
37、表面轮廓为非接触式原子力显微镜（non-contact AFM ）。 (3)轻敲模式(tapping mode),AFM的模式,工作模式,Contact mode quasi-static deflection: F = cDz (Hookes law)repulsive mode, high spatial resolutiondanger of local surface damage (soft samples) constant force (variable z position, height)or constant height (variable deflection)Fric
38、tion force imaging detect bending or torsion (parallel vs. lateral deflection) requires a minimum load, soft cantilever Relevant information for tribology: atomic scale friction, stick and slip, etc.Non-contact mode detect dynamic response of vibrating cantilever:shift of resonance frequency (direct
39、) vibration amplitude or phase shift (lock-in).,接触模式,从概念上来理解，接触模式是AFM最直接的成像模式。正如名字所描述的那样，AFM在整个扫描成像过程之中，探针针尖始终与样品表面保持亲密的接触，而相互作用力是排斥力。扫描时，悬臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构，因此力的大小范围在10- 1010- 6 N。若样品表面柔嫩而不能承受这样的力，便不宜选用接触模式对样品表面进行成像。,接触模式优缺点,优点： 扫描速度快； 唯一可得到“原子级分辨率”图像的方法； 易于扫描具有急剧变化特征的粗糙样品。缺点： 横向力会使图像中的特征失真； 空气中
40、由于样品表面水膜产生的毛细作用会增加探针-样品间法向力； 法向力和横向力的结合会降低空间分辨率并可能损坏软样品。,敲击模式,敲击模式介于接触模式和非接触模式之间，是一个杂化的概念。悬臂在试样表面上方以其共振频率振荡，针尖仅仅是周期性地短暂地接触/敲击样品表面。这就意味着针尖接触样品时所产生的侧向力被明显地减小了。因此当检测柔嫩的样品时，AFM的敲击模式是最好的选择之一。一旦AFM开始对样品进行成像扫描，装置随即将有关数据输入系统，如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰顶之间的最大距离等，用于物体表面分析。同时，AFM还可以完成力的测量工作，测量悬臂的弯曲程度来确定针尖与样品之间的作用力大小。,轻敲模式
41、优缺点,非接触模式,非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方510 nm的距离处振荡。样品与针尖之间的相互作用由范德华力控制，通常为10- 12 N，样品不会被破坏，而且针尖也不会被污染，特别适合于研究柔嫩物体的表面。这种操作模式的不利之处在于要在室温大气环境下实现这种模式十分困难。因为样品表面不可避免地会积聚薄薄的一层水，它会在样品与针尖之间搭起一小小的毛细桥，将针尖与表面吸在一起，从而增加尖端对表面的压力。,非接触模式优缺点,Examples,MFM: magnetic bits on a hard disk,CD with nano-inscription,AFM的应用,成像检测纳
42、米加工阳极氧化加工纳米压痕/划痕测试单原子操纵微纳结构操纵,阳极氧化加工,纳米压痕/划痕测试,微纳结构操纵,对槽阵列左上角的一簇碳纳米管束经A、B、C三处切割，分离出一段长约4um、直径约170nm的碳管（称之为Fatso）。 e.经“Z”型移动将Fatso以合适姿态架在指定槽上。白色箭头代表探针推动轨迹。,原子力显微镜 Vs 扫描电子显微镜,相对于扫描电子显微镜，原子力显微镜具有许多优点：不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM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，这种处理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。和扫描电子显微镜(SEM)相比，AFM的缺点在于成像范围太小,速度慢，受探头的影响太大。,恭祝马到成功,
