島津SPM-9500原子力顯微鏡原理及操作流程ppt課件

1、原子力顯微鏡島津SPM-95001.研討背景2.AFM簡介3.AFM的根本原理4.AFM主要構(gòu)件及功能5.AFM成像方式及特點6.AFM的功能原子力顯微鏡7.對樣品的要求8.AFM操作流程9.本卷須知10.AFM運用領(lǐng)域11.AFM在生命科學(xué)中的運用12.AFM運用前景1.研討背景 以光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡為代表的一系列先進顯微技術(shù)的出現(xiàn)與運用，為人類科技和社會提高做出了宏大奉獻。1986年，IBM公司的 G.Binning 和斯坦福大學(xué)的 C.F.Quate 及C. Gerber 協(xié)作發(fā)明的原子力顯微鏡(Atomic ForceMicroscope, AFM)更為突出地顯現(xiàn)了

2、顯微觀測技術(shù)對人類的重要性， 它是在掃描隧道顯微鏡根底上為察看非導(dǎo)電物質(zhì)經(jīng)改良而開展起來的分子和原子級顯微工具。并以高分辨、制樣簡單、操作易行等特點在生命科學(xué)、資料科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揚了艱苦作用，推進了納米科技的開展，促使人類進入了納米時代。2.AFM簡介 原子力顯微鏡Atomic Force Microscope ，AFM，是一種可用來研討包括絕緣體在內(nèi)的固體資料外表構(gòu)造的分析儀器。它經(jīng)過檢測待測樣品外表和一個微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研討物質(zhì)的外表構(gòu)造及性質(zhì)。將一對微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發(fā)生形變或運動

3、形狀發(fā)生變化。掃描樣品時，利用傳感器檢測這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級分辨率獲得外表構(gòu)造信息。原子力顯微鏡SPM-95003.AFM的根本原理 當樣品在針尖下面掃描時，同間隔親密相關(guān)的針尖-樣品相互作用會引起微懸臂的形變，微懸臂的形變是對樣品-針尖相互作用的直接反映。經(jīng)過檢測微懸臂產(chǎn)生的彈性形變量Z, 就可以根據(jù)微懸臂的彈性系數(shù)和函數(shù)式=kZ直接求出樣品-針尖間相互作用。再利用照射在懸臂尖端的激光束的反射接納來檢測微懸臂的形變。 由于光杠桿作用原理，即使小于0.01nm的微懸臂形變也可在光電檢測器上產(chǎn)生10nm左右的激光點位移，由此產(chǎn)生的電壓變化對應(yīng)著微懸臂的形變量，經(jīng)過一定的

4、函數(shù)變換便可得到懸臂形變量的丈量值。當樣品在XY平面內(nèi)掃描時(對某一點其坐標為x,y)假設(shè)堅持樣品在Z軸方向靜止，且令探針的豎直初始位置為零，那么可根據(jù)針尖-樣品相互作用與間距的關(guān)系得到樣品外表的高度變化信息h(x,y)，即樣品外表恣意點(x,y)相對于初始位點的高度。對樣品外表進展定域掃描便可得到此區(qū)域的外表形貌A=A(x,y, h(x,y)。4.AFM主要構(gòu)件及功能1為反響光路提供光源的激光系統(tǒng)(Laser) ；2進展力 - 間隔反響的微懸臂系統(tǒng)(Cantilever)；3執(zhí)行光柵掃描和Z軸定位的壓電掃描器(x,y,z Piezo-scanner)；4接納光反響信號的光電探測器(Detec

5、tor)；5反響電子線路(CurrentCircle)；6粗略定位系統(tǒng)；7防震防噪聲系統(tǒng)；8計算機控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處置軟件；9樣品探測環(huán)境控制系統(tǒng)(濕控、溫控、氣環(huán)境控制等)；10監(jiān)控激光-懸臂-樣品相對位置的顯微及CCD攝像系統(tǒng)。 其中，前四大系統(tǒng)是該儀器的中心部件。4.1 激光系統(tǒng) 激光器是光反響通路的信號源。由于懸臂尖端的空間有限性，就對照射器上的光束寬度提出了一定要求：足夠細、單色性好、發(fā)散程度弱；同時也要求光源的穩(wěn)定性高，可繼續(xù)運轉(zhuǎn)時間久，任務(wù)壽命長。 而激光正是可以很好地滿足上述條件的光源。 4.2 微懸臂系統(tǒng) 微懸臂是探測樣品的直接工具，它的屬性直接關(guān)系到儀器的精度和運用范圍。 微

6、懸臂必需有足夠高的力反響才干，這就要求懸臂必需容易彎曲，也易于復(fù)位，具有適宜的彈性系數(shù)，使得零點幾個納(nN)甚至更小的力的變化都可以被探測到；同時也要求懸臂有足夠高的時間分辨才干，因此要求懸臂的共振頻率應(yīng)該足夠高，可以跟隨外表高低起伏的變化。 根據(jù)上述兩個要求，微懸臂的尺寸必需在微米的范圍，而位于微懸臂末端的探針那么在10nm左右，而其上針尖的曲率半徑約為30nm，懸臂的固有頻率那么必需高于10kHz。通常運用的微懸臂資料是Si3N4。其彈性系數(shù)k=3 =9.57 ，其中E,I分別為楊氏模量、轉(zhuǎn)動慣量，L,m,f分別是微懸臂的長度、質(zhì)量和共振頻率。微懸臂的勁度常數(shù)普通為4 -2.0N/。 4

7、.3 壓電掃描系統(tǒng) 壓電換能器是能將機械作用和電訊號相互轉(zhuǎn)換的物理器件。它不僅可以使樣品在XY掃描平面內(nèi)準確地挪動，也能靈敏地感受樣品與探針間的作用，同時亦能將反響光路的電訊號轉(zhuǎn)換成機械位移，進而靈敏地控制樣品和探針間的間隔(力)，并記錄因掃描位置的改動而引起的Z向伸縮量h(x,y)。這樣，就實現(xiàn)了對樣品的外表掃描。 常見掃描器的最小分辨率0.1nm0.1nm0.01nm。 4.4 光電檢測與反響系統(tǒng) 目前AFM探測懸臂微形變的主要方法：光束偏轉(zhuǎn)法 用一束激光照在微懸臂的尖端，而用位置靈敏光檢測器(PSPD)來接納懸臂尖端的反射激光束，并輸出反映反射光位置的信號。由于懸臂的形變會引起反射光束的

8、偏移，導(dǎo)致反射光在PSPD上位置的變化，進而產(chǎn)生反響懸臂的形變的電訊號，以供調(diào)理壓電掃描器的伸縮控制。5.AFM成像方式及特點 原子力顯微鏡的操作方式分為三大類型：接觸方式(Contact Mode)、非接觸方式(Non-contact Mode)和輕敲方式(Tapping Mode)。圖3給出了AFM不同操作方式在針尖和樣品相互作用力曲線中的任務(wù)區(qū)間和力屬性。5.1 接觸方式(Contact Mode) 接觸方式是AFM最直接的成像方式。樣品掃描時，針尖一直同樣品“接觸，而相互作用力是排斥力。掃描時，懸臂施加在針尖上的力有能夠破壞試樣的外表構(gòu)造，因此力的大小范圍在 N。假設(shè)樣品外表柔嫩而不能

9、接受這樣的力，便不宜選用接觸方式對樣品外表進展成像。此方式通常產(chǎn)生穩(wěn)定、高分辨圖像。針尖-樣品間隔在小于零點幾個納米的斥力區(qū)域，對應(yīng)圖3中的1-2段。5.2 非接觸模(Non-contact Mode) 非接觸方式探測試樣外表時懸臂在間隔試樣外表上方510 nm 的間隔處振蕩。樣品與針尖之間的相互作用由范德華力控制，通常為 N ，樣品不會被破壞，而且針尖也不會被污染，適宜于研討柔嫩物體的外表。此方式的不利之處是要在室溫大氣環(huán)境下完成。針尖-樣品間隔在幾到幾十納米的吸引力區(qū)域，對應(yīng)圖3中的3-4段。由于針尖-樣品間隔較大，因此分辨率比接觸式的低。到目前為止，非接觸方式通常不適宜在液體中成像， 在

10、生物樣品的研討中也不常見。5.3 輕敲方式(Tapping Mode) 輕敲方式是上述兩種方式之間的掃描方式。掃描時，在共振頻率附近以更大的振幅(20nm)驅(qū)動微懸臂，使得針尖與樣品延續(xù)地接觸。當針尖沒有接觸到外表時，微懸臂以一定的大振幅振動，當針尖接近外表直至悄然接觸外表時，振幅將減小；而當針尖反向遠離時, 振幅又恢復(fù)到原值。作用在樣品上的力堅持恒定。由于針尖同樣品接觸，分辨率幾乎與接觸方式一樣好；又由于接觸非常短暫，剪切力引起的樣品破壞幾乎完全消逝。輕敲方式適宜于分析柔軟、粘性和脆性的樣品，并適宜在液體中成像 。5.4三種方式的比較1、接觸方式Contact Mode： 優(yōu)點：掃描速度快，

11、是獨一可以獲得“原子分辨率圖像的AFM垂直方向上有明顯變化的質(zhì)硬樣品，有時更適于用Contact Mode掃描成像。 缺陷：橫向力影響圖像質(zhì)量在空氣中，由于樣品外表吸附液層的毛細作用使針尖與樣品之間的粘著力很大，橫向力與粘著力的合力導(dǎo)致圖像空間分辨率降低，而且針尖掛擦樣品會損壞軟質(zhì)樣品如生物樣品，聚合體等。2、非接觸方式Non-Contact Mode： 優(yōu)點：沒有力作用于樣品外表。 缺陷：由于針尖與樣品分別，橫向分辨率低；為了防止接觸吸附層而導(dǎo)致針尖膠粘，其掃描速度低于Tapping Mode和Contact Mode AFM。通常僅用于非常怕水的樣品，吸附液層必需薄，假設(shè)太厚，針尖會墮入液

12、層，引起反響不穩(wěn)，刮擦樣品。由于上述缺陷，on-contact Mode的運用遭到限制。3、輕敲方式Tapping Mode： 優(yōu)點：很好的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，不會損傷其外表。 缺陷：比Contact Mode AFM 的掃描速度慢。6.AFM的功能6.1 外表形貌的表征 經(jīng)過檢測探針-樣品作用力可表征樣品外表的三維形貌，這是AFM最根本的功能。由于外表的高低起伏形狀可以準確地以數(shù)值的方式獲取，對外表整體圖像進展分析可得到樣品外表的粗糙度Roughness)、顆粒度(Granularity)、平均梯度(StepHeight

13、)、孔構(gòu)造和孔徑分布等參數(shù)；對小范圍外表圖像分析還可得到外表物質(zhì)的晶形構(gòu)造、聚集形狀、分子的構(gòu)造、面積和外表積及體積等；經(jīng)過一定的軟件也可對樣品的形貌進展豐富的三維模擬顯示如等高線顯示法、亮度-高度對應(yīng)法等，亦可轉(zhuǎn)換不同的視角，讓圖像更適于人的直觀視覺。6.2 外表物化屬性的表征 AFM的一種重要的丈量方法是力-間隔曲線，它包含了豐富的針尖-樣品作用信息。在探針接近甚至壓入樣品外表又隨后分開的過程中，丈量并記錄探針所遭到的力，就得到針尖和樣品間的力-間隔曲線。經(jīng)過分析針尖-樣品作用力，就可以了解樣品外表區(qū)域的各種性質(zhì)如壓彈性、粘彈性、硬度等物理屬性；假設(shè)樣品外表是有機物或生物分子，還可經(jīng)過探針

14、與分子的結(jié)合拉伸了解物質(zhì)分子的拉伸彈性、聚集形狀或空間構(gòu)象等物理化學(xué)屬性；假設(shè)用蛋白受體或其它生物大分子對探針進展修飾(functionization)，探針那么會具有特定的分子識別功能，從而了解樣品外表分子的種類與分布等生物學(xué)特性。7.對樣品的要求 (1研討對象：有機固體、聚合物以及生物大分子等；2樣品的載體：云母片、玻璃片、石墨、拋光硅片、二氧化硅和某些生物膜等。最常用的是新剝離的云母片，由于其非常平整且容易處置；拋光硅片最好用濃硫酸與30%雙氧水的73 混合液在90 下煮1h；利用電性能測試時需求導(dǎo)電性能良好的載體，如石墨或鍍有金屬的基片。3樣品的厚度：最大為10 mm。4樣品的大小及分

15、量：試樣的大小以不大于試樣臺的大小直徑20 mm為規(guī)范，最大值約為40 mm。樣品不宜過重，假設(shè)過重，有時會影響Scanner的動作。8.AFM操作流程1啟動儀器： 接通電源，先翻開控制器，再翻開AFM主機；開啟計算機并雙擊SPM-9500翻開軟件待主機的READY鍵變亮穩(wěn)定后； 預(yù)熱2030分鐘；2放樣品： 待信號為5個以上時，將待測樣品用鑷子悄然放入樣品臺；3軟件設(shè)置： A.翻開軟件后出現(xiàn)SPM Manager窗口； B.單擊窗口中的online按鈕出現(xiàn)SPM Online窗口及Scanning Condition 子窗口； C.點擊Oscilloscope前的對勾出現(xiàn)Left Oscil

16、loscope動搖圖像窗口并拖動其至右下方； D.點擊SPM Online窗口中Setting- Y Scan Start- Top設(shè)置掃描探針自上而下掃描，點擊Panel Display出現(xiàn)Signal Display Panel窗口，將垂直Vertical Deflection用垂直齒輪調(diào)至-2，將程度Horizontal Deflection用程度齒輪調(diào)至0，反復(fù)調(diào)理至少3次后，封鎖窗口。AFM樣品臺表示圖SPM Online任務(wù)窗口4設(shè)置參數(shù)： 在Scanning Condition 子窗口中設(shè)置： A.Size微懸臂在樣品外表程度掃描范圍設(shè)置為20um； B.Rate微懸臂掃描速度設(shè)

17、置為2HZ； C.Z Range微懸臂掃描時Z方向動搖范圍普通設(shè)置為X1Z方向動搖范圍為掃描器規(guī)定的最大動搖范圍；X2 指Z方向動搖范圍減少一半； D.Operating操作電壓為1V； E.Proportional Gain比例增益設(shè)置為10； F.Integral Gain積分增益設(shè)置為0.01； G.X,Y,Z設(shè)置為清零方式0； 在SPM Online窗口中，Z Range根據(jù)檢測對象設(shè)置合理數(shù)值。5開場檢測 A.點擊Fast Approach快速趨進按鈕，微懸臂會自動趨近樣品，并且在間隔樣品 10um處自動停頓； B.點擊Slow Approach慢速趨進按鈕，當微懸臂接觸到樣品后，慢

18、速進針自動停頓，開場掃描樣品并出現(xiàn)掃描圖像慢速進針普通進展 8 格自動終了。檢測進程中出現(xiàn)掃描圖像6調(diào)理圖像 A.點擊SPM Online窗口中的Zoom選擇圖像中的適宜區(qū)域進展放大掃描； B.調(diào)理scan condition中的Z range 使沿Z方向動搖的范圍減少相應(yīng)的倍數(shù)； C.當圖像出現(xiàn)豎道時，將Data從256*256先設(shè)置為512*512，再設(shè)置為256*256； D.有時候出現(xiàn)的掃描圖形能夠是偽圖，因此應(yīng)該回針再重新掃描； E.要看掃描圖像中測得的某處樣品的高度先按住Shift，再用鼠標在樣品處劃線。7保管圖像 在工具欄內(nèi)點擊Save按鈕，選擇要保管的圖片信息，然后再點擊OK。

19、當掃描究竟或在頂時，本次保管才干終了。保管的文件以當前日期和時間命名。當圖像上出現(xiàn)SAVE THIS時不能改動檢測的各參數(shù)。點擊任何抬針按鈕，都可以停頓掃描。8終了測試 9處置圖像 A.在SPM Manage窗口下點擊Offline按鈕，出現(xiàn)SPM Offline操作窗口 ； B.在SPM Offline窗口的工具欄內(nèi)，點擊文件夾樹按鈕Browser，出現(xiàn)圖片庫窗口； C.在圖片庫窗口內(nèi)，雙擊要處置的圖片，會出現(xiàn)它的單獨的SPM Offline 窗口； 對于曾經(jīng)平滑好的圖片，假設(shè)希望看到樣品信息的三維信息，點擊3D顯示按鈕。然后在3D設(shè)置內(nèi)可以選擇3D視角。 D.在SPM offline圖片處

20、置窗口的工具欄內(nèi)，點擊平滑按鈕，選擇line flatten按鈕，平滑圖片。 E.三維圖像顯示操作10終了實驗 (a) 封鎖 SPM online 軟件； (b) 封鎖 SPM 主機；(c)封鎖電腦 ；(d)封鎖 SPM 控制器 ；(e) 蓋好防塵布。*9.本卷須知1各參數(shù)設(shè)置好后要按回車鍵，檢測中改動參數(shù)后也要按回車鍵；2開場檢測要封鎖空調(diào)，防止空氣流動對檢測呵斥影響；3檢測中，實驗員不能碰觸儀器桌面，不能在儀器附近來回走動；4未抬針堅決不能放樣品，每次改換樣品及實驗終了后都必需抬針，每次抬針大約5、6次；5READY鍵不亮?xí)r能夠死機死機時會發(fā)出聲響，在垂直于程度旋鈕相互切換時也會發(fā)出聲響，

21、此時要先封鎖SPM軟件再按POWER鍵封鎖主機，等待穩(wěn)定后再按POWER鍵重新啟動主機。10.AFM優(yōu)缺陷優(yōu)點：1AFM具有超高的空間分辨率，放大倍數(shù)遠遠超越以往的顯微鏡：光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)普通不超越1000倍；電子顯微鏡的放大倍數(shù)的極限是100萬倍；而AFM的放大倍數(shù)是電子顯微鏡的1000倍，高達10 億倍，可以直接察看到物質(zhì)的分子和原子。2AFM的制樣過程簡單易行：不需求對樣品做特殊處置，如鍍銅或碳等；只需對樣品稍加固定便可進展察看。3AFM還具有多樣的實驗環(huán)境：既可以在真空中實驗，也可以在大氣中，甚至還可以在溶液中察看樣品，同時對溫度沒有特殊要求，高溫低溫皆可以進展。4AFM具有廣泛的研討對象：可研討生物、物理、化學(xué)等領(lǐng)域，并能研討生物宏觀分子，甚至活的生物組織。5AFM不僅提供二維圖像，而且提供真正的三維外表圖。 缺陷： AFM的成像范圍太小，