原子力顯微鏡的原理與應(yīng)用(研究生研討課)

1、AFM（原子力顯微鏡）報(bào)告人： 目錄一、AFM工作原理二、儀器介紹三、成像模式四、應(yīng)用舉例五、缺陷1. 工作原理AFM (Atomic Force Microscope)原子力顯微鏡 ，是以原子間力為理論基礎(chǔ)的顯微鏡，從STM（掃描隧道顯微鏡）發(fā)展而來(lái)。以原子尺寸觀察物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)，金屬、半導(dǎo)體、絕緣體等均可以觀測(cè)，可以在大氣、液體環(huán)境下直接觀察。在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中，是利用微小探針與待測(cè)物之間交互作用力，來(lái)呈現(xiàn)待測(cè)物的表面物理特性。將一個(gè)對(duì)力極為敏感的微懸臂的一端固定，另一端固定針尖當(dāng)針尖在樣品表面掃描時(shí)，因針尖尖端原子與樣品表面原子存在的范德華力，使微懸臂產(chǎn)生微小彎曲。根據(jù)掃描樣品時(shí)探針的

2、偏移量或改變的振動(dòng)頻率重建三維圖像，就能間接獲得樣品表面的形貌。1. 工作原理ExpulsiveforceatomatomAttractive forceatomatom2.儀器介紹控制系統(tǒng)ZXY入射激光位敏光電探測(cè)器顯示屏步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)螺桿反饋探針針尖試樣壓電陶瓷管XY探針懸臂樣品臺(tái)22.儀器介紹2.儀器介紹 1、檢測(cè)系統(tǒng) 懸臂的偏轉(zhuǎn)或振幅改變可以通過(guò)多種方法檢測(cè)，包括：光反射法、光干涉法、隧道電流法、電容檢測(cè)法等。目前AFM系統(tǒng)中常用的是激光反射檢測(cè)系統(tǒng)，它具有簡(jiǎn)便靈敏的特點(diǎn)。激光反射檢測(cè)系統(tǒng)由探針、激光發(fā)生器和光檢測(cè)器組成。 2、探針 探針是AFM檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分它由懸臂和懸臂末端的針尖

3、組成隨著精細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)能制造出各種形狀和特殊要求的探針。懸臂是由Si或Si3N4經(jīng)光刻技術(shù)加工而成的懸臂的背面鍍有一層金屬以達(dá)到鏡面反射。在接觸式AFM中V形懸臂是常見的一種類型2.儀器介紹商品化的懸臂一般長(zhǎng)為100-200 m、寬10-40m、厚0.3-2m，彈性系數(shù)變化范圍一般在幾十Nm-1到百分之幾Nm-1之間，共振頻率一般大于10kHz。探針末端的針尖一般呈金字塔形或圓錐形，針尖的曲率半徑與AFM分辨率有直接關(guān)系一般商品針尖的曲率半徑在幾納米到幾十納米范圍V型懸臂：它的優(yōu)點(diǎn)是具有低的垂直反射機(jī)械力阻和高的側(cè)向扭曲機(jī)械力阻懸臂的彈性系數(shù)一般低于固體原于的彈性系數(shù)， 懸臂的彈

4、性常數(shù)與形狀、大小和材料有關(guān)厚而短的懸臂具有硬度大和振動(dòng)頻率高的特點(diǎn)2.儀器介紹3、光電檢測(cè)器 AFM光信號(hào)檢測(cè)是通過(guò)光電檢測(cè)器來(lái)完成的。激光由光源發(fā)出照在金屬包覆的懸臀上，經(jīng)反射后進(jìn)入光電二極管檢測(cè)系統(tǒng)然后，通過(guò)電子線路把照在兩個(gè)二極管上的光量差轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)方式來(lái)指示光點(diǎn)位置。4、掃描系統(tǒng) AFM對(duì)樣品掃描的精確控制是靠掃描器來(lái)實(shí)現(xiàn)的掃描器中裝有壓電轉(zhuǎn)換器壓電裝置在X，Y，Z三個(gè)方向上精確控制樣品或探針位置。目前構(gòu)成掃描器的基質(zhì)材料主要是鈦鋯酸鉛Pb(Ti,Zr)O3制成的壓電陶瓷材料壓電陶瓷有壓電效應(yīng)，即在加電壓時(shí)有收縮特性，并且收縮的程度與所加電壓成比例關(guān)系壓電陶瓷能將1mV1000V

5、的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成十幾分之一納米到幾微米的位移。 5、反饋系統(tǒng)2.儀器介紹原子力顯微鏡的分辨率 原子力顯微鏡分辨率包括側(cè)向分辨率和垂直分辨率圖像的側(cè)向分辨率決定于兩種因素：采集圖像的步寬(Step size)和針尖形狀 1. 步寬因素 原子力顯微鏡圖像由許多點(diǎn)組成，其采點(diǎn)的形式如圖3.3所示掃描器沿著齒形路線進(jìn)行掃描，計(jì)算機(jī)以一定的步寬取數(shù)據(jù)點(diǎn)以每幅圖像取512x 512數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算，掃描1m x1m尺寸圖像得到步寬為2nm(1m512)高質(zhì)量針尖可以提供12nm的分辨率由此可知，在掃描樣品尺寸超過(guò)1m x1m時(shí)，AFM的側(cè)向分辨率是由采集圖像的步寬決定的。2.儀器介紹2. 針尖因素 AFM成像實(shí)

6、際上是針尖形狀與表面形貌作用的結(jié)果，針尖的形狀是影響側(cè)向分辨率的關(guān)鍵因素。針尖影響AFM成像主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：針尖的曲率半徑和針尖側(cè)面角，曲率半徑?jīng)Q定最高側(cè)向分辨率，而探針的側(cè)面角決定最高表面比率特征的探測(cè)能力如圖所示，曲率半徑越小，越能分辨精細(xì)結(jié)構(gòu) 不同曲率半徑的針尖對(duì)球形物成像時(shí)的掃描路線3.成像模式根據(jù)原子間力與原子見距離的關(guān)系，一般AFM有三種成像模式： 接觸模式 非接觸模式 輕敲模式1）. 接觸模式（1986年發(fā)明）原理：針尖和樣品物理接觸并在樣品表面上簡(jiǎn)單移動(dòng)，針尖受范德華力和毛細(xì)力的共同作用，兩者的合力形成接觸力，該力為排斥力，大小為10-810-11N，會(huì)使微懸臂彎曲。特點(diǎn)：

7、針尖與樣品表面距離小，利用原子間的斥力 可獲得高解析度圖像不足：1）研究生物大分子、低彈性模量以及容易變形和移動(dòng)的樣品時(shí)，針尖和樣品表面的排斥力會(huì)使樣品原子的位置改變，甚至使樣品損壞；2）樣品原子易粘附在探針上，污染針尖；3）掃描時(shí)可能使樣品發(fā)生很大的形變，甚至產(chǎn)生假象。3.成像模式接觸模式樣品表面樣品表面針尖針尖（2）.非接觸模式（1987年發(fā)明）原理：針尖在樣品上方(110nm) 振蕩( 振幅一般小于10nm) ，針尖檢測(cè)到的是范德華吸引力和靜電力等長(zhǎng)程力，樣品不會(huì)被破壞，針尖也不會(huì)被污染，特別適合柔軟物體的樣品表面；然而，在室溫大氣環(huán)境下樣品表面通常有一薄薄的水層，該水層容易導(dǎo)致針尖“突

8、跳”與表面吸附在一起，造成成像困難。多數(shù)情況下，為了使針尖不吸附在樣品表面，常選用一些彈性系數(shù)在20100N/m的硅探針。特點(diǎn)：由于探針與樣品始終不接觸，從而避免了接觸模式中遇到的破壞樣品和污染針尖的問(wèn)題，靈敏度也比接觸式高，但分辨率相對(duì)接觸式較低，且非接觸模式不適合在液體中成像。3.成像模式（3）.輕敲模式（1993年發(fā)明）原理：它是介于接觸模式和非接觸模式之間新發(fā)展起來(lái)的成像技術(shù)，微懸臂在樣品表面上方以接近于其共振頻率的頻率振蕩( 振幅大于20nm) ，在成像過(guò)程中，針尖周期性地間斷接觸樣品表面，探針的振幅被阻尼，反饋控制系統(tǒng)確保探針振幅恒定，從而針尖和樣品之間相互作用力恒定，獲得樣品表面

9、高度圖像。特點(diǎn)：在該模式下，探針與樣品之間的相互作用力包含吸引力和排斥力。在大氣環(huán)境下，該模式中探針的振幅能夠抵抗樣品表面薄薄水層的吸附。輕敲模式通常用于與基底只有微弱結(jié)合力的樣品或者軟物質(zhì)樣品(高分子、DNAs、蛋白質(zhì)/多肽、脂雙層膜等等) 。由于該模式對(duì)樣品的表面損傷最少并且與該模式相關(guān)的相位成像可以檢測(cè)到樣品組成、摩擦力、黏彈性等的差異，因此在高分子樣品成像中應(yīng)用廣泛。3.成像模式4.應(yīng)用舉例AFM的試樣制備簡(jiǎn)單易行：為檢測(cè)復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)，需將界面區(qū)域暴露于表面。若僅檢測(cè)表面形貌，試樣表面不需做任何處理，可直接檢測(cè)。若檢測(cè)界面的微觀結(jié)構(gòu)，則必須將表面磨平拋光或用超薄切片機(jī)切平。 1.

10、 形貌觀察 AFM可以對(duì)樣品表面形態(tài)、納米結(jié)構(gòu)、鏈構(gòu)象等方面進(jìn)行研究。AFM image of porous Al2O3 template SEM image of porous Al2O3 template 4.應(yīng)用舉例2 . AFM在高分子科學(xué)方面的應(yīng)用 AFM在高分子方面的應(yīng)用起源于1988年，如今，AFM已經(jīng)成為高分子科學(xué)的一個(gè)重要研究手段。AFM對(duì)高分子的研究發(fā)展十分迅速。(1) 高分子表面形貌和納米結(jié)構(gòu)的研究 圖3.11所示為常規(guī)的AFM在高分子方面的應(yīng)用高分子的形貌可以通過(guò)接觸式AFM、敲擊式AFM來(lái)研究。接觸式AFM研究形貌的分辨率與針尖和樣品接觸面積有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，針尖與樣品

11、的接觸尺寸為幾納米，接觸面積可以通過(guò)調(diào)節(jié)針尖與樣品接觸力來(lái)改變，接觸力越小，接觸面積就越小；同時(shí)也減少了針尖對(duì)樣品的破壞為了獲得高分辨高分子圖像，人們用各種方法來(lái)對(duì)樣品進(jìn)行微力檢測(cè)。 4.應(yīng)用舉例(2) AFM對(duì)高分子材料納米機(jī)械性能的研究 掃描探針技術(shù)是研究高分子材料納米范圍機(jī)械性能的強(qiáng)有力工具。在接觸式AFM中以不同的力掃描樣品可以得到樣品機(jī)械性能的信息高分子材料彈性模量的變化范圍從幾MPa到幾GPa，這就需要根據(jù)樣品的不同性質(zhì)來(lái)選樣低力或高力對(duì)樣品成像圖3.12為在水中拉伸PE條帶施加不同力時(shí)獲得的樣品變形圖像在強(qiáng)力掃描樣品時(shí)，可以看到沿纖維走向有以25nm為周期的明暗變化。4.應(yīng)用舉例(2) AFM對(duì)高分子材料納米機(jī)械性能的研究 掃描探針技術(shù)是研究高分子材料納米范圍機(jī)械性能的強(qiáng)有力工具。在接觸式AFM中以不同的力掃描樣品可以得到樣品機(jī)械性能的信息高分子材料彈性模量的變化范圍從幾MPa到幾GPa，這就需要根據(jù)樣品的不同性質(zhì)來(lái)選樣低力或高力對(duì)樣品成像圖3.12為在水中拉伸PE條帶施加不同力時(shí)獲得的樣品變形圖像在強(qiáng)力掃描樣品時(shí)，可以看到沿纖維走向有以25nm為周期的明暗變化。4.應(yīng)用舉例3. AFM在生物大分子中的應(yīng)用 AFM是研究生物大分子強(qiáng)有力的工具。生物大分子不同于一般高分子聚合物它在生物體中多以單個(gè)分