原子力顯微鏡(AFM)原理及應(yīng)用講解

1、講解人：講解人：xxxxxxAFMAFM介紹介紹什么是什么是AFM？ AFM起源： AFM全稱(chēng)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(jí)高分辨的新型儀器，可以在大氣和液體環(huán)境下對(duì)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(cè)，或者直接進(jìn)行納米操縱。1985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(bǔ)了STM的不足，可以用來(lái)測(cè)量任何樣品（無(wú)論導(dǎo)電性與否）的表面。AFM的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖AFM針尖AFM利用一

2、個(gè)對(duì)微弱力極敏感的、在其一端帶有一微小針尖的微懸臂，來(lái)代替STM隧道針尖，通過(guò)探測(cè)針尖與樣品之間的相互作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)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(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。所不同的是，它不是利用電子隧道效應(yīng)，而是利用原子之間的范德華力（Van Der Waals Force）作用來(lái)呈現(xiàn)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(guān)系來(lái)把原子樣子給呈現(xiàn)出來(lái)。 假設(shè)兩個(gè)原子一個(gè)是在懸臂的探針尖端，另一個(gè)是在樣本的表面，它們之間的作用力會(huì)隨距離的改變而變化，其作用力與距離的關(guān)系如右圖所示，當(dāng)原子與原子很接近時(shí)，彼此電子云斥力的作用大于原子核與電子云之間的吸引

3、力作用，所以整個(gè)合力表現(xiàn)為斥力的作用，反之若兩原子分開(kāi)有一定距離時(shí)，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(gè)合力表現(xiàn)為引力的作用。AFM的工作過(guò)程的工作過(guò)程力檢測(cè)系統(tǒng)力檢測(cè)系統(tǒng) 在AFM的系統(tǒng)中，所要檢測(cè)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(lái)檢測(cè)原子之間力的變化量。這微小懸臂有一定的規(guī)格，例如：長(zhǎng)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(lèi)型的探針。 位置檢測(cè)部分：位置檢測(cè)部分：在AFM的系統(tǒng)中，當(dāng)針尖與樣品之間有了交互作用之后，會(huì)使得懸臂擺動(dòng)，所以當(dāng)激光照射在懸臂的末端時(shí)，其反射光的位置也

4、會(huì)因?yàn)閼冶蹟[動(dòng)而有所改變，這就造成偏移量的產(chǎn)生。在整個(gè)系統(tǒng)中是依靠激光光斑位置檢測(cè)器將偏移量記錄下并轉(zhuǎn)換成電的信號(hào)，以供SPM控制器作信號(hào)處理。反饋系統(tǒng)：反饋系統(tǒng)： 在AFM的系統(tǒng)中，將信號(hào)經(jīng)由激光檢測(cè)器取入之后，在反饋系統(tǒng)中會(huì)將此信號(hào)當(dāng)作反饋信號(hào)，作為內(nèi)部的調(diào)整信號(hào)，并驅(qū)使通常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當(dāng)?shù)囊苿?dòng)，以保持樣品與針尖保持合適的作用力。 AFM便是結(jié)合以上三個(gè)部分來(lái)將樣品的表面特性呈現(xiàn)出來(lái)的：在AFM的系統(tǒng)中，使用微小懸臂來(lái)感測(cè)針尖與樣品之間的交互作用，這作用力會(huì)使微懸梁擺動(dòng)，再利用激光將光照射在微懸梁的末端，當(dāng)擺動(dòng)形成時(shí)，會(huì)使反射光的位置改變而造成偏移量，此時(shí)激光檢測(cè)器會(huì)記錄此

5、偏移量，也會(huì)把此時(shí)的信號(hào)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(lái)。 AFM的硬件結(jié)構(gòu)的硬件結(jié)構(gòu)接觸模式：接觸模式： 微懸臂探針緊壓樣品表面，檢測(cè)時(shí)與樣品保持接觸，作用力（斥力）通過(guò)微懸臂的變形進(jìn)行測(cè)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(shí)針尖對(duì)樣品的作用力較大，適合表面結(jié)構(gòu)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(duì)樣品表面進(jìn)行掃描，樣品表面起伏使微懸臂探針的振幅產(chǎn)生相應(yīng)變化，從而得到樣品的表面形貌。 該模式下，掃描成像時(shí)針尖對(duì)樣品進(jìn)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

6、品損傷，適合于柔軟或吸附樣品的檢測(cè)。相位移模式相位移模式 作為輕敲模式的一項(xiàng)重要擴(kuò)展技術(shù)，相移模式(相位移模式)通過(guò)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)微懸臂探針振動(dòng)的信號(hào)源的相位角與微懸臂探針實(shí)際振動(dòng)的相位角之差（即兩者的相移）的變化來(lái)成像。 引起該相移的因素很多，如樣品的組分、硬度、粘彈性質(zhì)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(zhì)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(cè)技術(shù)。AFM的集中工作模式的集中工作模式AFM的針尖的種類(lèi)的針尖的種類(lèi)試驗(yàn)常用的類(lèi)型試驗(yàn)常用的類(lèi)型 實(shí)驗(yàn)室購(gòu)買(mǎi)的AFM針尖（model：TESPA）及工作環(huán) 境。注：實(shí)驗(yàn)測(cè)試一般常用自注：實(shí)驗(yàn)測(cè)試一般常用自動(dòng)模式，如需用其他模式，動(dòng)模式，如需用其他模式，需要提前跟老師預(yù)約申請(qǐng)。需要提前跟老師預(yù)約申請(qǐng)。AFM測(cè)試樣品臺(tái)解析測(cè)試樣品臺(tái)解析AFM針尖樣品臺(tái)AFMAFM樣品測(cè)試臺(tái)樣品測(cè)試臺(tái)AFM制樣要求制樣要求樣品臺(tái)樣品雙面膠帶底座吸盤(pán)測(cè)試注：AFM制樣時(shí)，對(duì)樣品導(dǎo)電與否沒(méi)有要求，因此測(cè)量范圍比較廣泛。AFM制樣