1、Atomic Force Microscopy,陈佳2011.11.25,一、基本原理,原理示意图,将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，当针尖在样品表面扫描时，探针-样品表面间存在极微弱的排斥力，引起微悬臂的变形，激光经微悬臂的背面反射到光电检测器，可以精确测量微悬臂的微小变形，这样就实现了通过检测样品与探针之间的原子排斥力来反映样品表面形貌和其他表面结构。,二、仪器设备,原子力显微镜,CCD Camera,控制器,激光头,防震台,扫描管,硬件组成原子力显微镜系统主要由三个部分组成：力检测部分位置检测部分反馈系统,系统结构图,二、仪器设备,力检测部分,微悬臂通常由一个1
2、00-500m长和大约500nm-5m厚的硅片或氮化硅片制成。探针用来检测样品-针尖间的相互作用力。悬臂的规格取决于样品的特性，以及选择的模式不同。,二、仪器设备,位置检测部分,在AFM系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得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信号，以供控制器作信号处理。,二、仪器设备,反馈系统,在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
3、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。,二、仪器设备,三种基本操作模式：接触式（contact）非接触式（non-contact）轻敲式（tapping）,三、工作模式,三、工作模式,四、应用举例,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,四、应用
4、举例,小尺寸样品的观察：适用于观察原子级样品，DNA分子等，在纳米材料、分子生物学、仿生学等研究领域有广泛研究。,原子力显微镜对金的观察,烟草花叶病毒扫描图,四、应用举例,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,STM针尖移动原子形成的图形文字,四、应用举例,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,纤维改性的表面分析,原纤维（上）和嫁接改性后纤维（下）的AFM图,未改性的纤维表面：纤维状结构，微纤维的取向表明他们属于纤维的初生壁层，直径在12-56nm之间。嫁接共聚后：纤维表面被颗粒覆盖
5、，颗粒大小在60-200nm之间变化，线性取向部分（在原亚硫酸盐纤维中不能看到），且线性取向区域几乎没有颗粒结构。用AFM测粘附力和吸引力，发现未改性纤维和嫁接纤维的取向区域几乎相同，均比嫁接纤维的颗粒区域的力弱得多，后者的吸引力和粘附力分别增大了15倍和4倍，表明颗粒是嫁接的聚合物，线性取向区域是由结晶微纤维组成。结论：嫁接共聚更可能发生在无定形区而不是结晶区，嫁接聚合物是颗粒形式,对亚硫酸盐浆进行抗菌改性,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针尖放大效应,AFM
6、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。,AFM针尖放大效应,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
7、的Q控制技术，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。,提高图像分辨率,
