原理及應(yīng)用課件.ppt

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1、AFM(原子力顯微鏡)目錄：AFM基本原理AFM設(shè)備介紹試驗方法應(yīng)用實例AFM基本原理一、AFM概述原子力顯微鏡（AtomicForceMicroscope）即AFM。它是繼掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscope）即STM之后發(fā)明的一種具有原子級高分辨的新型儀器，可以在大氣和液體環(huán)境下對各種材料和樣品進(jìn)行納米區(qū)域的物理性質(zhì)包括形貌進(jìn)行探測，或者直接進(jìn)行納米操縱；現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、納米功能材料、生物、化工、食品、醫(yī)藥研究和科研院所各種納米相關(guān)學(xué)科的研究實驗等領(lǐng)域中，成為納米科學(xué)研究的基本工具。AFM基本原理AFM是由G.Binning（IBM蘇黎士研究實驗

2、室）在STM的基礎(chǔ)上于1986年發(fā)明的表面觀測儀器。AFM與STM相比，能觀測非導(dǎo)電樣品。AFM基本原理二、工作基本原理當(dāng)原子間距離減小到一定程度以后，原子間的作用力將迅速上升。因此，由顯微探針受力的大小就可以直接換算出樣品表面的高度，從而獲得樣品表面形貌的信息。將一個對微弱力極其敏感的微懸臂一端固定，另一端有一個微小的針尖，當(dāng)針尖在樣品表面掃描時，探針-樣品表面間存在極微弱的排斥力，引起微懸臂的變形；激光經(jīng)微懸臂的背面反射到光電檢測器，可以精確測量微懸臂的微小變形，這樣就實現(xiàn)了通過檢測樣品與探針之間的原子排斥力來反映樣品表面形貌和其他表面形貌。AFM基本原理探針與樣品表面之間作用力與距離

3、有關(guān)如右圖，當(dāng)兩者靠得很近時，原子之間電子云斥力大于原子核與電子云之間的吸引力，此時合力表現(xiàn)為斥力，反之表現(xiàn)為吸引作用。AFM設(shè)備介紹AFM（原子力顯微鏡）的硬件結(jié)構(gòu)主要包括力檢測系統(tǒng)、位置檢測部分和反饋系統(tǒng)。AFM設(shè)備介紹力檢測系統(tǒng)：在AFM系統(tǒng)中，所要檢測的力是原子與原子之間的范德華力。所以在本系統(tǒng)中是使用微小懸臂來檢測原子之間力的變化量。微小懸臂有一定的規(guī)格，如：長度、寬度、彈性系數(shù)以及針尖的形狀，而這些規(guī)格的選擇是依照樣品的特性以及操作模式的不同而選擇不同類型的探針。AFM設(shè)備介紹位置檢測部分：AFM系統(tǒng)中，當(dāng)針尖與樣品之間有了交互作用之后，會使得懸臂擺動。所以當(dāng)激光照射在懸臂的末

4、端時，其反射光的位置也會因為懸臂擺動而有所改變，這就造成偏移量的產(chǎn)生。整個系統(tǒng)中是依靠激光光斑位置檢測器將偏移量記錄下并轉(zhuǎn)換成電信號，以供SPM控制器作信號處理。AFM設(shè)備介紹反饋系統(tǒng)：在AFM系統(tǒng)中，將信號經(jīng)由激光檢測器取入之后，在反饋系統(tǒng)中將此信號當(dāng)做反饋信號，作為內(nèi)部調(diào)整的信號，并驅(qū)使通常由壓電陶瓷管制作的三秒器做適當(dāng)?shù)囊苿?，以保持樣品與針尖保持合適的作用力。AFM設(shè)備介紹AFM便是結(jié)合以上三個部分來將樣品的表面特性呈現(xiàn)出來的：在AFM系統(tǒng)中，使用微小懸臂來感測針尖與樣品之間的額交互作用，這種作用力會使微懸梁擺動，再利用激光將光照射在微懸梁的末端，當(dāng)擺動形成時，會使反射光的位置改變而

5、造成偏移量，此時激光檢測器會記錄此偏移量，也會把此時的信號給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，最后再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現(xiàn)出來。實驗方法AFM工作模式：接觸式（contact）非接觸式（non-contact）輕敲式（tapping）實驗方法接觸式（contact）利用探針和待測物表面之原子力交互作用(一定要接觸)，此作用力(原子間的排斥力)很小，但由于接觸面積很小，因此過大的作用力仍會損壞樣品，尤其對軟性材質(zhì)，不過較大的作用力可得較佳分辨率，所以選擇較適當(dāng)?shù)淖饔昧Ρ闶值闹匾?。由于排斥力對距離非常敏感，所以較易得到原子分辨率。實驗方法非接觸式（non-contact）為了解決

6、接觸式之AFM可能破壞樣品的缺點，便有非接觸式之AFM被發(fā)展出來，這是利用原子間的長距離吸引力來運作，由于探針和樣品沒有接觸，因此樣品沒有被破壞的問題，不過此力對距離的變化非常小，所以必須使用調(diào)變技術(shù)來增加訊號對噪聲比。在空氣中由于樣品表面水模的影響，其分辨率一般只有50nm，而在超高真空中可得原子分辨率。實驗方法輕敲式（tapping）將非接觸式AFM改良，將探針和樣品表面距離拉近，增大振福，使探針再振蕩至波谷時接觸樣品由于樣品的表面高低起伏，使的振幅改變，再利用接觸式的回饋控制方式，便能取得高度影像。分辨率界于接觸式和非接觸式之間，破壞樣品之機(jī)率大為降低，且不受橫向力的干擾。不過對很硬

7、的樣品而言，針尖仍可能受損。實驗方法模式優(yōu)點缺點備注Contact掃描速度快，在AFM垂直方向上有明顯變化的質(zhì)硬樣品更適用在空氣中橫向力影響圖像質(zhì)量，針尖會損壞軟質(zhì)樣品耗材，損耗率很高Non-contact對樣品表面無損傷掃描速度低，向分辨率低，僅用于非常怕水的樣品，吸附液層必須薄耗材，損耗率較上大幅降低Tapping消除了橫向力的影響，降低了由吸附液層引起的力，圖像分辨率高，適于觀測軟、易碎或膠粘性樣品，不會損傷其表面