掃描探針顯微技術(shù)之二-原子力顯微鏡(AFM)技術(shù)(深度講解)課件

原子力顯微鏡

AtomicForceMicroscopy1詳細課資主要內(nèi)容發(fā)展歷史基本原理應(yīng)用2詳細課資scanningtunnelingMicroscopy(STM，1982)Atomicforcemicroscopy(AFM)LateralForceMicroscopy(LFM)MagneticForceMicroscopy(MFM)ElectrostaticForceMicroscopy(EFM)ChemicalForceMicroscopy(CFM)NearFieldScanningOpticalMicroscopy(NSOM)掃描探針顯微鏡SPM

SPM是指在STM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一大類顯微鏡，通過探測極小探針與表面之間的物理作用量如光、電、磁、力等的大小而獲得表面信息。3詳細課資

1986，IBM，葛·賓尼（G.Binnig）發(fā)明了原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscope,AFM)——新一代表面觀測儀器．原理：利用原子之間的范德華力（VanDerWaalsForce）作用來呈現(xiàn)樣品的表面特性基本原理4詳細課資基本原理原子間的作用力吸引部分排斥部分Fpaird原子原子排斥力原子原子吸引力5詳細課資samplescannercantileverphotodetectorlaserdiode微懸臂激光二極管光電檢測器6詳細課資基本原理7詳細課資AFM信號反饋模式基本原理8詳細課資微懸臂位移量的檢測方式9詳細課資力檢測部分光學檢測部分反饋電子系統(tǒng)壓電掃描系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)儀器構(gòu)成10詳細課資接觸模式(contactmode)非接觸模式(non-contactmode)輕敲模式(tapping/intermittentcontactmode)

vanderWaalsforcecurve工作模式11詳細課資針尖始終向樣品接觸并簡單地在表面上移動，針尖—樣品間的相互作用力是互相接觸原于的電子間存在的庫侖排斥力，其大小通常為10－8

—10－11N。vanderWaalsforcecurve工作模式-接觸模式d＜０.０３nm12詳細課資優(yōu)點：可產(chǎn)生穩(wěn)定、高分辨圖像。缺點：可能使樣品產(chǎn)生相當大的變形，對柔軟的樣品造成破壞，以及破壞探針，嚴重影響AFM成像質(zhì)量。工作模式-接觸模式13詳細課資相互作用力是范德華吸引力，遠小于排斥力.

vanderWaalsforcecurved:5~20nm振幅：2nm～5nm工作模式-非接觸模式范德華吸引力微懸臂以共振頻率振蕩，通過控制微懸臂振幅恒定來獲得樣品表面信息的。

14詳細課資優(yōu)點：對樣品無損傷

缺點：

1）分辨率要比接觸式的低。2）氣體的表面壓吸附到樣品表面，造成圖像數(shù)據(jù)不穩(wěn)定和對樣品的破壞。

工作模式-非接觸模式15詳細課資介于接觸模式和非接觸模式之間:

其特點是掃描過程中微懸臂也是振蕩的并具有比非接觸模式更大的振幅(5~100nm)，針尖在振蕩時間斷地與樣品接觸。

vanderWaalsforcecurve振幅：5nm～100nm工作模式-輕敲模式16詳細課資特點：

1）分辨率幾乎同接觸模式一樣好；

2）接觸非常短暫，因此剪切力引起的對樣品的破壞幾乎完全消失；工作模式-輕敲模式17詳細課資工作模式-輕敲模式18詳細課資19詳細課資20詳細課資相位成像(phaseimaging)技術(shù)通過輕敲模式掃描過程中振動微懸臂的相位變化來檢測表面組分,粘附性,摩擦,粘彈性和其他性質(zhì)的變化.21詳細課資基本原理22詳細課資基本原理23詳細課資原子力顯微鏡之解析度基本原理24詳細課資基本原理25詳細課資基本原理26詳細課資氮化硅探針針尖放大圖基本原理27詳細課資為克服“加寬效應(yīng)”：一方面可發(fā)展制造尖端更尖的探針技術(shù)，另一方面對標準探針進行修飾也可提高圖像質(zhì)量。

針尖技術(shù)單碳納米壁管直徑0.7～5nm基本原理28詳細課資AFM技術(shù)的主要特點:優(yōu)點:制樣相對簡單,多數(shù)情況下對樣品不破壞.具有高分辨率，三維立體的成像能力，可同時得到盡可能多的信息.操作簡單,對附屬設(shè)備要求低.缺點:對試樣仍有較高要求,特別是平整度.實驗結(jié)果對針尖有較高的依賴性(針尖效應(yīng)).仍然屬于表面表征技術(shù),需和其他測試手段結(jié)合.29詳細課資主要內(nèi)容發(fā)展歷史工作原理應(yīng)用30詳細課資原子力顯微鏡的應(yīng)用金屬半導體材料化學納米材料生命科學微加工技術(shù)……31詳細課資用AFM觀察DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)生物和生命科學32詳細課資用AFM觀察細胞生長生物和生命科學33詳細課資用AFM觀察集成電路的線路刻蝕情況微電子科學和技術(shù)34詳細課資高分子領(lǐng)域的應(yīng)用35詳細課資聚合物膜表面形貌與相分離觀察Kajiyama等人應(yīng)用AFM研究了單分散聚苯乙烯(PS)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混成膜的相分離情況。膜較厚時(25μｍ),看不到分相。膜厚100nｍ時,可以得到PMMA呈島狀分布在PS中的AFM圖象。36詳細課資聚合物膜表面形貌與相分離觀察對非晶態(tài)聚合物膜,形貌圖信息較為有限。AFM“相成像”方式(phaseimaging)得到的數(shù)據(jù)與樣品表面硬度和粘彈性有關(guān)，可以觀察相分離．即使在樣品表面相對“平坦”的情況下,也能較好地反映出聚合物的相分離后,不同類型聚合物的所在區(qū)域。37詳細課資高分子結(jié)晶形態(tài)觀察38詳細課資聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物的苯溶液在ＬＢ膜槽內(nèi)分散,而后在極低的表面壓下(<0.1ｍＮ/ｍ)將分子沉積在新鮮云母表面。非晶態(tài)單鏈高分子結(jié)構(gòu)觀察39詳細課資40詳細課資AFM在聚合物膜研究中的應(yīng)用1表面整體形態(tài)研究2孔徑(分布),粒度（分布）研究3粗糙度研究41詳細課資1表面整體形態(tài)研究42詳細課資2孔徑(分布),粒度（分布）研究43詳細課資SectionanalysisofTM-AFMimage.44詳細課資Tappingmodeatomicforcemicrographs45詳細課資46詳細課資3粗糙度研究粗糙度（Surfaceroughness）表示膜表面形態(tài)間的差異，影響著膜的物理和化學性能、膜表面的污染程度和膜的水通量。47詳細課資

膜污染研究-超濾膜或微濾膜新膜表面三維圖X—1μm/格