原子力顯微鏡AFM課件

原子力顯微鏡Atomicforcemicroscopy，AFM王景風(fēng)原子力顯微鏡王景風(fēng)目錄

1.

概述

2.

AFM的工作原理及工作模式3.

應(yīng)用及實(shí)例解釋目錄1.概述1.概述

顯微技術(shù)是人們認(rèn)識(shí)材料微觀結(jié)構(gòu)的重要途徑，其發(fā)展歷程是從光學(xué)顯微鏡——電子顯微鏡——掃描探針技術(shù)。這也使得人們對(duì)于微觀世界的認(rèn)識(shí)越來越深入，從微米級(jí)、亞微米級(jí)發(fā)展到納米級(jí)乃至原子級(jí)分辨率。原子力顯微鏡（atomicforcemicroscopy，AFM）就是近代發(fā)展起來的掃描探針顯微鏡(scanningprobemicroscopy，SPM)家族中應(yīng)用最為廣泛的一員。

1.1

掃描探針顯微鏡1.概述顯微技術(shù)是人們認(rèn)識(shí)材料微觀結(jié)構(gòu)的重要途掃描探針顯微鏡(SPM)：使用一個(gè)尖銳的探針在樣品表面掃描，在掃描過程中記錄探針與樣品的相互作用，從而得到樣品的表面信息。成像原理適用樣品分辨率掃描隧道顯微鏡Scanningtunnelingmicroscope,STM隧道電流導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料橫向分辨率0.1nm;垂直方向分辨率0.01nm原子力顯微鏡Atomicforcemicroscopy，AFM針尖與試樣之間的相互作用力導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣材料橫向分辨率納米級(jí)；垂直方向分辨率0.1nm表1.1STM與AFM的比較掃描探針顯微鏡(SPM)：成像原理適用樣品分辨率掃描隧道顯指標(biāo)AFMTEMSEM空間分辨率原子級(jí)0.1nm點(diǎn)分辨率0.3~0.5nm3~6nm試樣環(huán)境大氣環(huán)境、液相、真空高真空高真空?qǐng)D像形式二維、三維圖像二維圖像二維圖像試樣損傷幾乎無(wú)對(duì)電子束敏感物質(zhì)有損傷對(duì)電子束敏感物質(zhì)有損傷力學(xué)性質(zhì)局部微區(qū)力學(xué)性能無(wú)無(wú)表1.2AFM、TEM和SEM的主要性能指標(biāo)指標(biāo)AFMTEMSEM空間分辨率原子級(jí)0.1nm點(diǎn)分辨率0

1.2AFM主要功能高空間分辨率描述物質(zhì)表面微觀結(jié)構(gòu)；能夠用于表征固體物質(zhì)表面局部微小區(qū)域的力學(xué)和物理性質(zhì)，例如定量測(cè)定粗糙度、彈性模量、硬度、黏彈性質(zhì)等；

原子分子搬遷，應(yīng)用AFM針尖在納米尺寸對(duì)材料表面作微機(jī)械加工、表面改性或改變大分子取向和信息技術(shù)中的高密度存儲(chǔ)技術(shù)等。1.2AFM主要功能高空間分辨率描述物質(zhì)表面微觀結(jié)2.AFM的工作原理及工作模式2.1AFM的結(jié)構(gòu)和工作原理圖2.1AFM的結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)圖作用力F與形變△z之間的關(guān)系：F=k·△zk:微懸臂的彈性常數(shù)△z：微懸臂發(fā)生的微小彈性變形2.AFM的工作原理及工作模式2.1AFM的結(jié)構(gòu)和工作微懸臂微小形變的大小的檢測(cè)方法有：光學(xué)檢測(cè)法電容檢測(cè)法壓敏電阻檢測(cè)法等圖2.2

光束偏轉(zhuǎn)檢測(cè)型AFM儀器結(jié)構(gòu)與工作原理簡(jiǎn)圖微懸臂微小形變的大小的檢測(cè)方法有：圖2.2光束偏轉(zhuǎn)檢測(cè)型A2.2AFM的工作模式原子間范德華力圖2.3

各種工作模式在針尖-試樣力曲線中所處的范圍2.2AFM的工作模式原子間范德華力圖2.3各種工作模2.2.1接觸模式圖2.4

接觸模式工作原理探針接觸樣品表面，發(fā)生形變，向上彎曲；接收器Up-Down信號(hào)發(fā)生改變；反饋系統(tǒng)通過Vz控制掃描器的伸縮，使Up-Down信號(hào)維持恒定；記錄在每個(gè)掃描點(diǎn)(x,y)的伸縮電壓V(x,y)；通過V(x,y)，即可計(jì)算出樣品的表面形貌T(x,y)；2.2.1接觸模式圖2.4接觸模式工作原理探針接觸樣a.高度像b.偏差像成像信號(hào)是針尖-試樣的真實(shí)垂直方向力與操作者選定力大小之間的差值。ab圖2.5Si片ALD100nmZnO的AFM圖。a.

高度像；b.偏差像a.高度像b.偏差像成像信號(hào)是針尖-試樣的真實(shí)垂c.側(cè)向力像圖2.6接觸模式測(cè)定懸臂扭轉(zhuǎn)的示意圖它反映了試樣個(gè)局部區(qū)域不同的力學(xué)和粘結(jié)性質(zhì)，因而可以表征試樣各區(qū)域的不同組分。圖2.7云母片上相分離磷脂-蛋白質(zhì)層的高度像（a）和側(cè)向力像（b）c.側(cè)向力像圖2.6接觸模式測(cè)定懸臂扭轉(zhuǎn)的示意圖2.2.2輕敲模式系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，使其處于共振狀態(tài)而上下振蕩；探針逼近樣品后，樣品表面起伏引起振幅發(fā)生變化；反饋系統(tǒng)通過Vz控制掃描器的伸縮，使振幅信號(hào)維持恒定；記錄在每個(gè)掃描點(diǎn)(x,y)的伸縮電壓V(x,y)；通過V(x,y)，即可計(jì)算出樣品的表面形貌T(x,y)；圖2.8輕敲模式原理圖2.2.2輕敲模式系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，使其處于共振狀態(tài)而a.高度像b.相位像圖2.7相位成像原理示意圖其是通過檢測(cè)驅(qū)動(dòng)微懸臂振動(dòng)的信號(hào)與微懸臂實(shí)際振動(dòng)的相位角之差的變化來成像。a.高度像b.相位像圖2.7相位成像原理示意圖(a)(b)圖2.8一種有機(jī)薄膜的高度像（a）與相位像（b）相位像對(duì)不同顆粒及其邊界具有更強(qiáng)的反差，并可在納米尺度上提供試樣表面組分、摩擦、黏彈性及其他性質(zhì)的分析。(a)(b)圖2.8一種有機(jī)薄膜的高度像（a）與相位像（接觸模式輕敲模式掃描速度可以達(dá)到更高的掃描速度較低橫向剪切力有無(wú)樣品表面水層對(duì)掃描的影響有小針尖力大小5~500nN0.1~1nN軟樣品不適用√吸附樣品不適用√表面不穩(wěn)定的樣品不適用√表2.1

接觸模式與輕敲模式的比較接觸模式輕敲模式掃描速度可以達(dá)到更高的掃描速度較低橫向剪切力2.2.3非接觸模式這種模式控制在試樣表面上方5~20nm距離處掃描，利用針尖-試樣之間的相互微弱的長(zhǎng)程力（范德華吸引力）引起微懸臂固有振動(dòng)頻率峰值的偏移，以此為回饋信號(hào)成像。然而，這種模式下：需要高靈敏度的探針；得到的圖像分辨率低；

針尖也容易被表面吸附氣體的表面壓吸附到試樣表面，引起圖像數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定和對(duì)試樣的損傷。2.2.3非接觸模式這種模式控制在試樣表面上3.應(yīng)用及實(shí)例解釋（1）高度分析圖3.1石墨烯片的AFM圖，片層厚度0.975nm3.應(yīng)用及實(shí)例解釋（1）高度分析圖3.1石墨烯片的AF（2）粒徑（分布）分析圖3.2CNT生長(zhǎng)基底的AFM圖。a.高度像；b.相位像；c.粒度分析報(bào)告，平均粒度大小為27.98nmbac（2）粒徑（分布）分析圖3.2CNT生長(zhǎng)基底的AFM圖。（3）粗糙度分析圖3.3ZnO薄膜的粗糙度分析報(bào)告

（3）粗糙度分析圖3.3ZnO薄膜的粗糙度分析報(bào)告系統(tǒng)可以對(duì)圖像進(jìn)行自相關(guān)分析。相關(guān)運(yùn)算用于比較兩個(gè)圖像的相似程度。自相關(guān)分析常用于分析帶有周期性結(jié)構(gòu)的圖像，可以幫助尋找圖像中的重復(fù)性結(jié)構(gòu)。（4）自相關(guān)分析ab圖3.4某周期性結(jié)構(gòu)表面的圖像（a）和經(jīng)自相關(guān)分析后的圖像（b）系統(tǒng)可以對(duì)圖像進(jìn)行自相關(guān)分析。相關(guān)運(yùn)算用于比較兩圖3.5原位AFM研究的拉抻臺(tái)裝置（a）和試樣位置（b）（5）原位AFM的研究圖3.5原位AFM研究的拉抻臺(tái)裝置（a）和試樣位置（b）（6）針尖增強(qiáng)拉曼圖3.6針尖增強(qiáng)拉曼原理圖（6）針尖增強(qiáng)拉曼圖3.6針尖增強(qiáng)拉曼原理圖

受樣品因素限制較大（不可避免）針尖易磨鈍&受污染（磨損無(wú)法修復(fù)；污染清洗困難）針尖—樣品間作用力較小AFM的缺點(diǎn)受樣品因素限制較大（不可避免）AFM的缺點(diǎn)謝謝！TheEnd謝謝！TheEnd原子力顯微鏡Atomicforcemicroscopy，AFM王景風(fēng)原子力顯微鏡王景風(fēng)目錄

1.

概述

2.

AFM的工作原理及工作模式3.

應(yīng)用及實(shí)例解釋目錄1.概述1.概述

顯微技術(shù)是人們認(rèn)識(shí)材料微觀結(jié)構(gòu)的重要途徑，其發(fā)展歷程是從光學(xué)顯微鏡——電子顯微鏡——掃描探針技術(shù)。這也使得人們對(duì)于微觀世界的認(rèn)識(shí)越來越深入，從微米級(jí)、亞微米級(jí)發(fā)展到納米級(jí)乃至原子級(jí)分辨率。原子力顯微鏡（atomicforcemicroscopy，AFM）就是近代發(fā)展起來的掃描探針顯微鏡(scanningprobemicroscopy，SPM)家族中應(yīng)用最為廣泛的一員。

1.1

掃描探針顯微鏡1.概述顯微技術(shù)是人們認(rèn)識(shí)材料微觀結(jié)構(gòu)的重要途掃描探針顯微鏡(SPM)：使用一個(gè)尖銳的探針在樣品表面掃描，在掃描過程中記錄探針與樣品的相互作用，從而得到樣品的表面信息。成像原理適用樣品分辨率掃描隧道顯微鏡Scanningtunnelingmicroscope,STM隧道電流導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料橫向分辨率0.1nm;垂直方向分辨率0.01nm原子力顯微鏡Atomicforcemicroscopy，AFM針尖與試樣之間的相互作用力導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣材料橫向分辨率納米級(jí)；垂直方向分辨率0.1nm表1.1STM與AFM的比較掃描探針顯微鏡(SPM)：成像原理適用樣品分辨率掃描隧道顯指標(biāo)AFMTEMSEM空間分辨率原子級(jí)0.1nm點(diǎn)分辨率0.3~0.5nm3~6nm試樣環(huán)境大氣環(huán)境、液相、真空高真空高真空?qǐng)D像形式二維、三維圖像二維圖像二維圖像試樣損傷幾乎無(wú)對(duì)電子束敏感物質(zhì)有損傷對(duì)電子束敏感物質(zhì)有損傷力學(xué)性質(zhì)局部微區(qū)力學(xué)性能無(wú)無(wú)表1.2AFM、TEM和SEM的主要性能指標(biāo)指標(biāo)AFMTEMSEM空間分辨率原子級(jí)0.1nm點(diǎn)分辨率0

1.2AFM主要功能高空間分辨率描述物質(zhì)表面微觀結(jié)構(gòu)；能夠用于表征固體物質(zhì)表面局部微小區(qū)域的力學(xué)和物理性質(zhì)，例如定量測(cè)定粗糙度、彈性模量、硬度、黏彈性質(zhì)等；

原子分子搬遷，應(yīng)用AFM針尖在納米尺寸對(duì)材料表面作微機(jī)械加工、表面改性或改變大分子取向和信息技術(shù)中的高密度存儲(chǔ)技術(shù)等。1.2AFM主要功能高空間分辨率描述物質(zhì)表面微觀結(jié)2.AFM的工作原理及工作模式2.1AFM的結(jié)構(gòu)和工作原理圖2.1AFM的結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)圖作用力F與形變△z之間的關(guān)系：F=k·△zk:微懸臂的彈性常數(shù)△z：微懸臂發(fā)生的微小彈性變形2.AFM的工作原理及工作模式2.1AFM的結(jié)構(gòu)和工作微懸臂微小形變的大小的檢測(cè)方法有：光學(xué)檢測(cè)法電容檢測(cè)法壓敏電阻檢測(cè)法等圖2.2

光束偏轉(zhuǎn)檢測(cè)型AFM儀器結(jié)構(gòu)與工作原理簡(jiǎn)圖微懸臂微小形變的大小的檢測(cè)方法有：圖2.2光束偏轉(zhuǎn)檢測(cè)型A2.2AFM的工作模式原子間范德華力圖2.3

各種工作模式在針尖-試樣力曲線中所處的范圍2.2AFM的工作模式原子間范德華力圖2.3各種工作模2.2.1接觸模式圖2.4

接觸模式工作原理探針接觸樣品表面，發(fā)生形變，向上彎曲；接收器Up-Down信號(hào)發(fā)生改變；反饋系統(tǒng)通過Vz控制掃描器的伸縮，使Up-Down信號(hào)維持恒定；記錄在每個(gè)掃描點(diǎn)(x,y)的伸縮電壓V(x,y)；通過V(x,y)，即可計(jì)算出樣品的表面形貌T(x,y)；2.2.1接觸模式圖2.4接觸模式工作原理探針接觸樣a.高度像b.偏差像成像信號(hào)是針尖-試樣的真實(shí)垂直方向力與操作者選定力大小之間的差值。ab圖2.5Si片ALD100nmZnO的AFM圖。a.

高度像；b.偏差像a.高度像b.偏差像成像信號(hào)是針尖-試樣的真實(shí)垂c.側(cè)向力像圖2.6接觸模式測(cè)定懸臂扭轉(zhuǎn)的示意圖它反映了試樣個(gè)局部區(qū)域不同的力學(xué)和粘結(jié)性質(zhì)，因而可以表征試樣各區(qū)域的不同組分。圖2.7云母片上相分離磷脂-蛋白質(zhì)層的高度像（a）和側(cè)向力像（b）c.側(cè)向力像圖2.6接觸模式測(cè)定懸臂扭轉(zhuǎn)的示意圖2.2.2輕敲模式系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，使其處于共振狀態(tài)而上下振蕩；探針逼近樣品后，樣品表面起伏引起振幅發(fā)生變化；反饋系統(tǒng)通過Vz控制掃描器的伸縮，使振幅信號(hào)維持恒定；記錄在每個(gè)掃描點(diǎn)(x,y)的伸縮電壓V(x,y)；通過V(x,y)，即可計(jì)算出樣品的表面形貌T(x,y)；圖2.8輕敲模式原理圖2.2.2輕敲模式系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，使其處于共振狀態(tài)而a.高度像b.相位像圖2.7相位成像原理示意圖其是通過檢測(cè)驅(qū)動(dòng)微懸臂振動(dòng)的信號(hào)與微懸臂實(shí)際振動(dòng)的相位角之差的變化來成像。a.高度像b.相位像圖2.7相位成像原理示意圖(a)(b)圖2.8一種有機(jī)薄膜的高度像（a）與相位像（b）相位像對(duì)不同顆粒及其邊界具有更強(qiáng)的反差，并可在納米尺度上提供試樣表面組分、摩擦、黏彈性及其他性質(zhì)的分析。(a)(b)圖2.8一種有機(jī)薄膜的高度像（a）與相位像（接觸模式輕敲模式掃描速度可以達(dá)到更高的掃描速度較低橫向剪切力有無(wú)樣品表面水層對(duì)掃描的影響有小針尖力大小5~500nN0.1~1nN軟樣品不適用√吸附樣品不適用√表面不穩(wěn)定的樣品不適用√表2.1

接觸模式與輕敲模式的比較接觸模式輕敲模式掃描速度可以達(dá)到更高的掃描速度較低橫向剪切力2.2.3非接觸模式這種模式控制在試樣表面上方5~20nm距離處掃描，利用針尖-試樣之間的相互微弱的長(zhǎng)程力（范德華吸引力）引起微懸臂固有振動(dòng)頻率峰值的偏移，以此為回饋信號(hào)成像。然而，這種模式下：需要高靈敏度的探針；得到的圖像分辨率低；

針尖也容易被表面吸附氣體的表面壓吸附到試樣表面，引起圖像數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定和對(duì)試樣的損傷。2.2.3非接觸模式這種模式控制在試