原子力顯微鏡(AFM)原理及應用講解

1、原子力顯微鏡AFM什么是什么是AFM？ AFM起源： AFM全稱Atomic Force Microscope，即原子力顯微鏡，它是繼掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope）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行納米區(qū)域的物理性質包括形貌進行探測，或者直接進行納米操縱。1985年，IBM公司的Binning和Stanford大學的Quate研發(fā)出了原子力顯微鏡（AFM），彌補了STM的不足，可以用來測量任何樣品（無論導電性與否）的表面。AFM的結構簡圖的結構簡圖AFM針尖AFM利用一個對微弱力極敏感的、在其一端帶

2、有一微小針尖的微懸臂，來代替STM隧道針尖，通過探測針尖與樣品之間的相互作用力來實現表面成像的（右上圖）。AFM工作原理工作原理原理：原理： AFM是在STM的基礎上發(fā)展起來的。所不同的是，它不是利用電子隧道效應，而是利用原子之間的范德華力（Van Der Waals Force）作用來呈現樣品的表面特性。原子力顯微鏡就是利用原子之間微妙的關系來把原子樣子給呈現出來。 假設兩個原子一個是在懸臂的探針尖端，另一個是在樣本的表面，它們之間的作用力會隨距離的改變而變化，其作用力與距離的關系如右圖所示，當原子與原子很接近時，彼此電子云斥力的作用大于原子核與電子云之間的吸引力作用，所以整個合力表現為斥力

3、的作用，反之若兩原子分開有一定距離時，其電子云斥力的作用小于彼此原子核與電子云之間的吸引力作用，故整個合力表現為引力的作用。AFM的工作過程的工作過程力檢測系統(tǒng)力檢測系統(tǒng) 在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)中是使用微小懸臂來檢測原子之間力的變化量。這微小懸臂有一定的規(guī)格，例如：長度、寬度、彈性系數以及針尖的形狀，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。 位置檢測部分：位置檢測部分：在AFM的系統(tǒng)中，當針尖與樣品之間有了交互作用之后，會使得懸臂擺動，所以當激光照射在懸臂的末端時，其反射光的位置也會因為懸臂擺動而有所改變，這就

4、造成偏移量的產生。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換成電的信號，以供SPM控制器作信號處理。反饋系統(tǒng)：反饋系統(tǒng)： 在AFM的系統(tǒng)中，將信號經由激光檢測器取入之后，在反饋系統(tǒng)中會將此信號當作反饋信號，作為內部的調整信號，并驅使通常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當的移動，以保持樣品與針尖保持合適的作用力。 AFM便是結合以上三個部分來將樣品的表面特性呈現出來的：在AFM的系統(tǒng)中，使用微小懸臂來感測針尖與樣品之間的交互作用，這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

5、系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當的調整，最后再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現出來。 AFM的硬件結構的硬件結構接觸模式：接觸模式： 微懸臂探針緊壓樣品表面，檢測時與樣品保持接觸，作用力（斥力）通過微懸臂的變形進行測量。 輕敲模式：輕敲模式：針尖與樣品表面相接觸，分辨率高，但成像時針尖對樣品的作用力較大，適合表面結構穩(wěn)定的樣品。 用處于共振狀態(tài)、上下振蕩的微懸臂探針對樣品表面進行掃描，樣品表面起伏使微懸臂探針的振幅產生相應變化，從而得到樣品的表面形貌。 該模式下，掃描成像時針尖對樣品進行“敲擊”，兩者間只有瞬間接觸，能有效克服接觸模式下因針尖的作用力，尤其是橫向力引起的樣品損傷，適合于柔軟或吸附樣品的

6、檢測。相位移模式相位移模式 作為輕敲模式的一項重要擴展技術，相移模式(相位移模式)通過檢測驅動微懸臂探針振動的信號源的相位角與微懸臂探針實際振動的相位角之差（即兩者的相移）的變化來成像。 引起該相移的因素很多，如樣品的組分、硬度、粘彈性質等。因此利用相移模式(相位移模式)，可以在納米尺度上獲得樣品表面局域性質的豐富信息。迄今相移模式(相位移模式)已成為原子力顯微鏡的一種重要檢測技術。AFM的集中工作模式的集中工作模式AFM的針尖的種類的針尖的種類試驗常用的類型試驗常用的類型 實驗室購買的AFM針尖（model：TESPA）及工作環(huán) 境。注：實驗測試一般常用自注：實驗測試一般常用自動模式，如需用

7、其他模式，動模式，如需用其他模式，需要提前跟老師預約申請。需要提前跟老師預約申請。AFM測試樣品臺解析測試樣品臺解析AFM針尖樣品臺AFMAFM樣品測試臺樣品測試臺AFM制樣要求制樣要求樣品臺樣品雙面膠帶底座吸盤測試注：AFM制樣時，對樣品導電與否沒有要求，因此測量范圍比較廣泛。AFM制樣流程 原子力顯微鏡研究對象可以是有機固體、聚合物以及生物大分子等，樣品的載體選擇范圍很大，包括云母片、玻璃片、石墨、拋光硅片、二氧化硅和某些生物膜等，其中最常用的是新剝離的云母片，主要原因是其非常平整且容易處理。而拋光硅片最好要用濃硫酸與30%雙氧水的7 3 混合液在90 下煮1h。利用電性能測試時需要導電性能良好的載體，如石墨或鍍有金屬的基片。 試樣的厚度，包括試樣臺的厚度，最大為10 mm。如果試樣過重，有時會影響Scanner的動作，請不要放過重的試樣。試樣的大小以不大于試樣臺的大?。ㄖ睆?0 mm）為大致的標準。稍微大一點也