原子力顯微鏡的原理及應(yīng)用

1、Atomic Force Microscopy 原子力顯微鏡（AFM） 目錄： nAFM的發(fā)展歷史 nAFM的原理 nAFM的分類 nAFM機(jī)器的組成 n影響AFM分辨率的因素 nAFM技術(shù)應(yīng)用舉例 n照片舉例 nAFM的缺點 高級顯微鏡 n1938年，德國工程師Max Knoll和Ernst Ruska 制造出了世界上第一臺透射電子顯微鏡（TEM） n1952年，英國工程師Charles Oatley制造出了 第一臺掃描電子顯微鏡（SEM） 至此，電子顯微鏡的分辨率達(dá)到納米級 n1983年，IBM公司蘇黎世實驗室的兩位科學(xué)家 Gerd Binnig和Heinrich Rohrer發(fā)明了掃描隧

2、 道顯微鏡（STM） n應(yīng)用電子的“隧道效應(yīng)”這一原理，對導(dǎo)體或 半導(dǎo)體進(jìn)行觀測 隧道效應(yīng) n經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，物體越過勢壘，有一閾值能量；粒子能量小 于此能量則不能越過，大于此能量則可以越過。例如騎自行車 過小坡，先用力騎，如果坡很低，不蹬自行車也能靠慣性過去。 如果坡很高，不蹬自行車，車到一半就停住，然后退回去。 n量子力學(xué)則認(rèn)為，即使粒子能量小于閾值能量，很多粒子沖向 勢壘，一部分粒子反彈，還會有一些粒子能過去，好像有一個 隧道，故名隧道效應(yīng)（quantum tunneling）?？梢?，宏觀上 的確定性在微觀上往往就具有不確定性。雖然在通常的情況下， 隧道效應(yīng)并不影響經(jīng)典的宏觀效應(yīng)，因為隧

3、穿幾率極小，但在 某些特丁的條件下宏觀的隧道效應(yīng)也會出現(xiàn)。 AFM出現(xiàn)的意義 nSTM的原理是電子的“隧道效應(yīng)”，所以只能 測導(dǎo)體和部分半導(dǎo)體 n1985年，IBM公司的Binning和Stanford大學(xué)的 Quate研發(fā)出了原子力顯微鏡（AFM），彌補了 STM的不足 返回 成 像 原 理 Expulsive force atom atom Attractive force atom atom 恒定力量或者恒定高度 探針如何成像 表面形貌和材料如何測量 n 返回 X Y Z Mover 垂直信號的變化垂直信號的變化 即樣本的表面變化即樣本的表面變化 Cantilever 擺動擺動 的方向的

4、方向 X Y Z Mover Cantilever 擺動擺動 的方向的方向 水平信號的變化水平信號的變化 即樣本的材質(zhì)變化即樣本的材質(zhì)變化 AFM有多種工作模式 n1. 接觸模式（Contact Mode）：作用力在斥力范圍，力 的量級為109 108N，或1 10eV/?？蛇_(dá)到原子級 分辨率。 n2. 非接觸模式（Non-Contact Mode）：作用力在引力范 圍，包括范德華力、靜電力或磁力等。 n3. 輕敲模式（Tapping Mode） n4. Interleave模式（Interleave Normal Mode/Lift Mode） n5. 力調(diào)制模式（Force Modulat

5、ion Mode） n6. 力曲線模式（Force Curve Mode） 接觸式原子力顯微鏡 n接觸式AFM是一個排斥性的模式，探針尖端和 樣品做柔軟性的“實際接觸”，當(dāng)針尖輕輕掃 過樣品表面時，接觸的力量引起懸臂彎曲，進(jìn) 而得到樣品的表面圖形。 n由于是接觸式掃描，在接觸樣品時可能會是樣 品表面彎曲。 n經(jīng)過多次掃描后，針尖或者樣品有鈍化現(xiàn)象。 特點： n通常情況下，接觸模式都可以產(chǎn)生穩(wěn)定的、分 辨率高的圖像。但是這種模式不適用于研究生 物大分子、低彈性模量樣品以及容易移動和變 形的樣品。 接觸式（ contact mode） 非接觸式原子力顯微鏡 n在非接觸模式中，針尖在樣品表面的上方振

6、動 ，始終不與樣品接觸，探測器檢測的是范德華 作用力和靜電力等對成像樣品沒有破壞的長程 作用力。 n需要使用較堅硬的懸臂（防止與樣品接觸）。 n所得到的信號更小，需要更靈敏的裝置，這種 模式雖然增加了顯微鏡的靈敏度，但當(dāng)針尖和 樣品之間的距離較長時，分辨率要比接觸模式 和輕敲模式都低。 特點： n由于為非接觸狀態(tài)，對于研究柔軟或有彈性的 樣品較佳，而且針尖或者樣品表面不會有鈍化 效應(yīng)，不過會有誤判現(xiàn)象。這種模式的操作相 對較難，通常不適用于在液體中成像，在生物 中的應(yīng)用也很少。 非接觸式（non contact mode） 間歇接觸式原子力顯微鏡 n微懸臂在其共振頻率附近做受迫振動，振蕩的 針

7、尖輕輕的敲擊表面，間斷地和樣品接觸。當(dāng) 針尖與樣品不接觸時，微懸臂以最大振幅自由 振蕩。當(dāng)針尖與樣品表面接觸時，盡管壓電陶 瓷片以同樣的能量激發(fā)微懸臂振蕩，但是空間 阻礙作用使得微懸臂的振幅減小。反饋系統(tǒng)控 制微懸臂的振幅恒定，針尖就跟隨表面的起伏 上下移動獲得形貌信息。 n類似非接觸式AFM，比非接觸式更靠近樣品表 面。損害樣品的可能性比接觸式少（不用側(cè)面 力，摩擦或者拖拽）。 n輕敲模式的分辨率和接觸模式一樣好，而且由 于接觸時間非常短暫，針尖與樣品的相互作用 力很小，通常為1皮牛頓（pN）1納牛頓（ nN），剪切力引起的分辨率的降低和對樣品 的破壞幾乎消失，所以適用于對生物大分子、 聚合

8、物等軟樣品進(jìn)行成像研究。 特點： n對于一些與基底結(jié)合不牢固的樣品，輕敲模式 與接觸模式相比，很大程度地降低了針尖對表 面結(jié)構(gòu)的“搬運效應(yīng)”。 n樣品表面起伏較大的大型掃描比非接觸式的更 有效。 間歇接觸式（tapping mode） 返回 原子力顯微鏡的構(gòu)成 在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中，可分成三個部分：力檢測部分、位置檢測在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中，可分成三個部分：力檢測部分、位置檢測 部分、反饋系統(tǒng)。部分、反饋系統(tǒng)。 力檢測部分：力檢測部分： 在原子力顯微鏡（AFM）的系統(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（cantilever）來檢測原子之間力的變 化量

9、。這微小懸臂有一定的規(guī)格，例如：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。 n位置檢測部分：位置檢測部分： 在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，當(dāng)針 尖與樣品之間有了交互作用之后，會使得懸臂 （cantilever）擺動，所以當(dāng)激光照射在 cantilever的末端時，其反射光的位置也會因 為cantilever擺動而有所改變，這就造成偏移 量的產(chǎn)生。在整個系統(tǒng)中是依靠激光光斑位置 檢測器將偏移量記錄下并轉(zhuǎn)換成電的信號，以 供控制器作信號處理。 n 反饋系統(tǒng)：反饋系統(tǒng)： n在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，將信號經(jīng) 由激

10、光檢測器取入之后，在反饋系統(tǒng)中會將此 信號當(dāng)作反饋信號，作為內(nèi)部的調(diào)整信號，并 驅(qū)使通常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當(dāng)?shù)?移動，以保持樣品與針尖保持合適的作用力。 n原子力顯微鏡（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：在原子力顯微鏡 （AFM）的系統(tǒng)中，使用微小懸臂（cantilever） 來感測針尖與樣品之間的交互作用，測得作用力。 這作用力會使cantilever擺動，再利用激光將光照 射在cantilever的末端，當(dāng)擺動形成時，會使反射 光的位置改變而造成偏移量，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

11、面特性以 影像的方式給呈現(xiàn)出來。 返回 提高圖像分辨率 n1、發(fā)展新的技術(shù)或模式來提高分辨率，即從硬件 設(shè)備以及成像機(jī)理上提高成像分辨率。如最近 Fuchs等發(fā)明的Q控制技術(shù)，可以提高成像分辨率 和信噪比。采用力調(diào)制模式或頻率調(diào)制模式等也 可以有效提高成像分辨率。 n2、選擇尖端曲率半徑小的針尖，減小針尖與樣品 之間的接觸面積，減小針尖的放大效應(yīng)，以提高 分辨率。 n3、盡量避免針尖和樣品表面的污染。如果針尖上有污染物 ，就會造成與表面之間的多點接觸，出現(xiàn)多針尖現(xiàn)象，造成 假像。如果表面受到了污染，在掃描過程中表面污染物也可 能粘到針尖上，造成假像的產(chǎn)生。 n4、控制測試氣氛，消除毛細(xì)作用力的

12、影響。由于毛細(xì)作用 力的存在，在空氣中進(jìn)行AFM成像時會造成樣品與針尖的接 觸面積增大，分辨率降低。此時，可考慮在真空環(huán)境下測定 ，在氣氛控制箱中沖入干燥的N2，或者在溶液中成像等。溶 液的介電性質(zhì)也可以影響針尖與樣品間范德華作用力常數(shù)， 從而有可能減小它們之間的吸引力以提高成像分辨率。不過 液體對針尖的阻尼作用會造成反饋的滯后效應(yīng)，所以不適用 于快速掃描過程。 AFM針尖放大效應(yīng) AFM是依靠尖端曲率半徑很小的微懸臂針尖接觸在 表面上進(jìn)行成像，所得到的圖像是針尖與樣品真實 形貌卷積后的結(jié)果。如圖所示，實線代表樣品的真 實形貌，虛線就是針 尖掃描所得到的表觀 圖像。二者之間的差 別在于針尖與樣

13、品真 實接觸點和表觀接觸 點隨針尖移動的函數(shù) 變化關(guān)系。 n針尖效應(yīng)不僅會將小的結(jié)構(gòu)放大，而且還 會造成成像的不真實，特別是在比較陡峭 的突起和溝槽處。 n一般來說，如果針尖尖端的曲率半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn) 小于表面結(jié)構(gòu)的尺寸，則針尖效應(yīng)可以忽 略，針尖走過的軌跡基本上可以反映表面 結(jié)構(gòu)的起伏變化。 微懸臂檢測方法 nAFM是通過檢測微懸臂形變的大小來獲得 樣品表面形貌信息的，所以微懸臂形變檢 測技術(shù)至關(guān)重要。到目前為止，檢測微懸 臂形變的方式主要有以下幾種： n1）隧道電流檢測法 n2）電容檢測法 n3）光學(xué)檢測法 n4）壓敏電阻檢測法 n5）光束偏轉(zhuǎn)法。此方法由Meyer和Amer于 1988年發(fā)明，簡便實用，廣泛應(yīng)用于目前 的商品化儀器。 n須指出，由于針尖樣品之間的作用力是 微懸臂的力常數(shù)和形變量之積，所以無論 哪種檢測方法，都應(yīng)不影響微懸臂的力常 數(shù)，而且對形變量的檢測須達(dá)到一納米以 下。 返回 AFM應(yīng)用技術(shù)舉例 nAFM可以在大氣、真空、低溫和高溫、不同氣 氛以及溶液等各種環(huán)境下工作，且不受樣品導(dǎo) 電性質(zhì)的限制，因此已獲得比STM更為廣泛的 應(yīng)用。主要用途： n1. 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體表面的高分辨成像 n2. 生物樣品、有機(jī)膜的高分辨成像 n3