原子力顯微鏡課件

AtomicForceMicroscopy

原子力顯微鏡（AFM）11PPT課件AtomicForceMicroscopy目錄：AFM的原理AFM的分類AFM機器的組成影響AFM分辨率的因素AFM技術應用舉例照片舉例AFM的缺點2PPT課件目錄：2PPT課件光學顯微鏡透射電子顯微鏡掃描隧道顯微鏡掃描電子顯微鏡原子力顯微鏡顯微鏡的發(fā)展歷史3PPT課件光學顯微鏡透射電子顯微鏡掃描隧道顯微鏡掃描電子顯微鏡原子力顯掃描隧道顯微鏡（STM）

1983年，IBM公司蘇黎世實驗室的兩位科學家GerdBinnig和HeinrichRohrer發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（STM）。STM的原理是電子的“隧道效應”，所以只能測導體和部分半導體。。4PPT課件掃描隧道顯微鏡（STM）

1983年，IBM公司蘇黎世實驗室原子力顯微鏡（AFM）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的表面。5PPT課件原子力顯微鏡（AFM）1985年，IBM公司的BinningAFM的原理

AFM是在STM的基礎上發(fā)展起來的一種顯微技術。那么，首先我們先來了解下STM的工作原理。STM是利用原子間的隧道效應進行測量的。6PPT課件AFM的原理

AFM是在STM的基礎上發(fā)展起來的一種顯微技術隧道效應

經典物理學認為，物體越過勢壘，有一閾值能量；粒子能量小于此能量則不能越過，大于此能量則可以越過。例如騎自行車過小坡，先用力騎，如果坡很低，不蹬自行車也能靠慣性過去。如果坡很高，不蹬自行車，車到一半就停住，然后退回去。量子力學則認為，即使粒子能量小于閾值能量，很多粒子沖向勢壘，一部分粒子反彈，還會有一些粒子能過去，好像有一個隧道，故名隧道效應（quantumtunneling）。可見，宏觀上的確定性在微觀上往往就具有不確定性。雖然在通常的情況下，隧道效應并不影響經典的宏觀效應，因為隧穿幾率極小，但在某些特定的條件下宏觀的隧道效應也會出現(xiàn)。7PPT課件隧道效應

經典物理學認為，物體越過勢壘，有一閾值能量；粒子能STM就是根據(jù)這種效應制成的。當針尖和樣品面間距足夠小時（<0.4nm），在針尖和樣品間施加一偏置電壓，便會產生隧道效應，電子會穿過勢壘，在針尖和樣品間流動，形成隧道電流。在相同的偏置電壓下，電流強度對針尖和樣品間的距離十分敏感，隧道電流隨間距呈指數(shù)變化，樣品表面的形貌影響著隧道電流的劇烈變化，這種電流變化有計算機進行處理就可以的到樣品表面的形貌了。8PPT課件STM就是根據(jù)這種效應制成的。當針尖和樣品面間距足夠小時（<STM的結構與工作過程

帶電極的壓電管（根據(jù)隧道電流的的大小隨時調整針尖和樣品的距離，以保持隧道電流的恒定）壓電管控制電壓隧道電流放大器距離控制和掃描單元隧道電壓（用以產生隧道效應）數(shù)據(jù)處理及顯示9PPT課件STM的結構與工作過程

帶電極的壓電管（根據(jù)隧道電流的的大小AFM即原子力顯微鏡，它是繼掃描隧道顯微鏡之后發(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；現(xiàn)已廣泛應用于半導體、納米功能材料、生物、化工、食品、醫(yī)藥研究和科研院所各種納米相關學科的研究實驗等領域中，成為納米科學研究的基本工具。10PPT課件AFM即原子力顯微鏡，它是繼掃描隧道顯微鏡之后發(fā)明的一種具有在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中，可分成三個部分：力檢測部分、位置檢測部分、反饋系統(tǒng)。11PPT課件在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中，可分成三個部分：力檢測部分、位置檢測原子力顯微鏡的構成

12PPT課件原子力顯微鏡的構成

12PPT課件原理：當原子間距離減小到一定程度以后，原子間的作用力將迅速上升。因此，由顯微探針受力的大小就可以直接換算出樣品表面的高度，從而獲得樣品表面形貌的信息13PPT課件原理：13PPT課件14PPT課件14PPT課件力檢測部分：

在原子力顯微鏡（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（cantilever）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(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，而選擇不同類型的探針。

15PPT課件力檢測部分：

在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中位置檢測部分：

在原子力顯微鏡（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（cantilever）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cantilever擺動而有所改變，這就造成偏移量的產生。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，以供控制器作信號處理。16PPT課件位置檢測部分：

在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)

反饋系統(tǒng)：

在原子力顯微鏡（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?shù)囊苿?，以保持樣品與針尖保持合適的作用力。17PPT課件反饋系統(tǒng)：

17PPT課件原子力顯微鏡（AFM）便是結合以上三個部分來將樣品的表面特性呈現(xiàn)出來的：在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，使用微小懸臂（cantilever）來感測針尖與樣品之間的交互作用，測得作用力。這作用力會使懸臂擺動，再利用激光將光照射在懸臂的末端，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系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當?shù)恼{整，最后再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現(xiàn)出來。18PPT課件原子力顯微鏡（AFM）便是結合以上三個部分來將樣品的表面特性成像原理

探針尖和試件表面非常接近時，二者間的作用力極為復雜，有原子(分子、離子)間的排斥力(庫侖力)、吸引力(范德華力)、磁力、靜電力、摩擦力(接觸時)、粘附力、毛細力等。AFM的檢測成像用的是原子(分子、離子)間的排斥力(接觸測量)或吸引力(非接觸測量)，而其他各種作用力對AFM的檢測成像并無幫助，而只是起干擾影響作用19PPT課件成像原理探針尖和試件表面非常接近時，二20PPT課件20PPT課件探針－試件間距離在10μm左右時，空氣阻尼力探針－試件間距離在100～1000nm時，主要靜電力和磁力相互作用探針－試件間距離在10～100nm處，吸附水膜產生幾百nN吸引力的毛細力針尖－試件距離到達10nm左右時，原子(分子、離子)間吸引的范德華力針尖－試件間距離小到1nm以內時，原子間相互排斥的厙侖力開始起作用

3）AFM測量時利用的相互作用力

在接觸測量時，檢測的是它們間的相互排斥力；在非接觸測量時，檢測的是它們間的相互吸引力

21PPT課件探針－試件間距離在10μm左右時，空氣阻尼力3）AFM測量恒定力量或者恒定高度

AFM信號反饋模式（作用力的檢測模式）

22PPT課件恒定力量或者恒定高度

AFM信號反饋模式（作用力的檢測模式）表面形貌和材料如何測量

返回XYZMover垂直信號的變化即樣本的表面變化懸臂擺動的方向XYZ步進電機懸臂擺動的方向水平信號的變化即樣本的材質變化23PPT課件表面形貌和材料如何測量XYZMover垂直信號的變化懸臂擺動AFM有多種工作模式1.接觸模式（ContactMode）：作用力在斥力范圍，力的量級為10－8～10－11N。可達到原子級分辨率。2.非接觸模式（Non-ContactMode）：作用力在引力范圍，包括范德華力、靜電力或磁力等。3.輕敲模式（TappingMode）4.Interleave模式（InterleaveNormalMode/LiftMode）5.力調制模式（ForceModulationMode）6.力曲線模式（ForceCurveMode）24PPT課件AFM有多種工作模式1.接觸模式（ContactMode接觸式原子力顯微鏡接觸式AFM是一個排斥性的模式，探針尖端和樣品做柔軟性的“實際接觸”，當針尖輕輕掃過樣品表面時，接觸的力量引起懸臂彎曲，進而得到樣品的表面圖形。由于是接觸式掃描，在接觸樣品時可能樣品表面彎曲。經過多次掃描后，針尖或者樣品有鈍化現(xiàn)象。25PPT課件接觸式原子力顯微鏡接觸式AFM是一個排斥性的模式，探針尖端和

特點：通常情況下，接觸模式都可以產生穩(wěn)定的、分辨率高的圖像。但是這種模式不適用于研究生物大分子、低彈性模量樣品以及容易移動和變形的樣品。26PPT課件

特點：通常情況下，接觸模式都可以產生穩(wěn)定的、分辨率高的圖像接觸式（contactmode）

成像結果27PPT課件接觸式（contactmode）

成像結果27PPT課件非接觸式原子力顯微鏡在非接觸模式中，針尖在樣品表面的上方振動，始終不與樣品接觸，探測器檢測的是范德華作用力和靜電力等對成像樣品沒有破壞的長程作用力，針尖－試件間距離大致在5～20nm。需要使用較堅硬的懸臂（防止與樣品接觸）。所得到的信號更小，需要更靈敏的裝置，這種模式雖然增加了顯微鏡的靈敏度，但當針尖和樣品之間的距離較長時，分辨率要比接觸模式和輕敲模式都低。28PPT課件非接觸式原子力顯微鏡在非接觸模式中，針尖在樣品表面的上方振動

特點：由于為非接觸狀態(tài)，對于研究柔軟或有彈性的樣品較佳，而且針尖或者樣品表面不會有鈍化效應，不過會有誤判現(xiàn)象。這種模式的操作相對較難，通常不適用于在液體中成像，在生物中的應用也很少。29PPT課件

特點：由于為非接觸狀態(tài)，對于研究柔軟或有彈性的樣品較佳，而非接觸式（noncontactmode）30PPT課件非接觸式（noncontactmode）30PPT課件間歇接觸式原子力顯微鏡微懸臂在其共振頻率附近做受迫振動，振蕩的針尖輕輕的敲擊表面，間斷地和樣品接觸。當針尖與樣品不接觸時，微懸臂以最大振幅自由振蕩。當針尖與樣品表面接觸時，盡管壓電陶瓷片以同樣的能量激發(fā)微懸臂振蕩，但是空間阻礙作用使得微懸臂的振幅減小。反饋系統(tǒng)控制微懸臂的振幅恒定，針尖就跟隨表面的起伏上下移動獲得形貌信息。31PPT課件間歇接觸式原子力顯微鏡微懸臂在其共振頻率附近做受迫振動，振蕩類似非接觸式AFM，比非接觸式更靠近樣品表面。損害樣品的可能性比接觸式少（不用側面力，摩擦或者拖拽）。輕敲模式的分辨率和接觸模式一樣好，而且由于接觸時間非常短暫，針尖與樣品的相互作用力很小，通常為1皮牛頓（pN）～1納牛頓（nN），剪切力引起的分辨率的降低和對樣品的破壞幾乎消失，所以適用于對生物大分子、聚合物等軟樣品進行成像研究。32PPT課件類似非接觸式AFM，比非接觸式更靠近樣品表面。損害樣品的可能

特點：對于一些與基底結合不牢固的樣品，輕敲模式與接觸模式相比，很大程度地降低了針尖對表面結構的“搬運效應”。樣品表面起伏較大的大型掃描比非接觸式的更有效。33PPT課件

特點：對于一些與基底結合不牢固的樣品，輕敲模式與接觸模式相間歇接觸式（tappingmode）

返回34PPT課件間歇接觸式（tappingmode）34PPT課件如何提高圖像分辨率1、發(fā)展新的技術或模式來提高分辨率，即從硬件設備以及成像機理上提高成像分辨率。如最近Fuchs等發(fā)明的Q控制技術，可以提高成像分辨率和信噪比。采用力調制模式或頻率調制模式等也可以有效提高成像分辨率。2、選擇尖端曲率半徑小的針尖，減小針尖與樣品之間的接觸面積，減小針尖的放大效應，以提高分辨率。35PPT課件如何提高圖像分辨率1、發(fā)展新的技術或模式來提高分辨率，即從硬3、盡量避免針尖和樣品表面的污染。如果針尖上有污染物，就會造成與表面之間的多點接觸，出現(xiàn)多針尖現(xiàn)象，造成假像。如果表面受到了污染，在掃描過程中表面污染物也可能粘到針尖上，造成假像的產生。4、控制測試氣氛，消除毛細作用力的影響。由于毛細作用力的存在，在空氣中進行AFM成像時會造成樣品與針尖的接觸面積增大，分辨率降低。此時，可考慮在真空環(huán)境下測定，在氣氛控制箱中沖入干燥的N2，或者在溶液中成像等。溶液的介電性質也可以影響針尖與樣品間范德華作用力常數(shù)，從而有可能減小它們之間的吸引力以提高成像分辨率。不過液體對針尖的阻尼作用會造成反饋的滯后效應，所以不適用于快速掃描過程。36PPT課件3、盡量避免針尖和樣品表面的污染。如果針尖上有污染物，就會造探針37PPT課件探針37PPT課件AFM針尖放大效應AFM是依靠尖端曲率半徑很小的微懸臂針尖接觸在表面上進行成像，所得到的圖像是針尖與樣品真實形貌卷積后的結果。如圖所示，實線代表樣品的真實形貌，虛線就是針尖掃描所得到的表觀圖像。二者之間的差別在于針尖與樣品真實接觸點和表觀接觸點隨針尖移動的函數(shù)變化關系。38PPT課件AFM針尖放大效應AFM是依靠尖端曲率半徑很小的微懸臂針尖接

探針之與解析度

39PPT課件探針之與解析度

39PPT課件針尖效應不僅會將小的結構放大，而且還會造成成像的不真實，特別是在比較陡峭的突起和溝槽處。一般來說，如果針尖尖端的曲率半徑遠遠小于表面結構的尺寸，則針尖效應可以忽略，針尖走過的軌跡基本上可以反映表面結構的起伏變化。40PPT課件針尖效應不僅會將小的結構放大，而且還會造成成像的不真實，特別微懸臂檢測方法AFM是通過檢測微懸臂形變的大小來獲得樣品表面形貌信息的，所以微懸臂形變檢測技術至關重要。到目前為止，檢測微懸臂形變的方式主要有以下幾種：1）隧道電流檢測法2）電容檢測法3）光學檢測法4）壓敏電阻檢測法41PPT課件微懸臂檢測方法AFM是通過檢測微懸臂形變的大小來獲得樣品表面5）光束偏轉法。此方法由Meyer和Amer于1988年發(fā)明，簡便實用，廣泛應用于目前的商品化儀器。須指出，由于針尖—樣品之間的作用力是微懸臂的力常數(shù)和形變量之積，所以無論哪種檢測方法，都應不影響微懸臂的力常數(shù)，而且對形變量的檢測須達到一納米以下。

返回42PPT課件5）光束偏轉法。此方法由Meyer和Amer于1988年發(fā)明AFM應用技術舉例AFM可以在大氣、真空、低溫和高溫、不同氣氛以及溶液等各種環(huán)境下工作，且不受樣品導電性質的限制，因此已獲得比STM更為廣泛的應用。主要用途：1.導體、半導體和絕緣體表面的高分辨成像2.生物樣品、有機膜的高分辨成像3.表面化學反應研究4.納米加工與操縱43PPT課件AFM應用技術舉例AFM可以在大氣、真空、低溫和高溫、不同氣

IBM科學家首次拍下單分子照片44PPT課件

IBM科學家首次拍下單分子照片44PPT課件用AFM觀察DNA雙螺旋結構

45PPT課件用AFM觀察DNA雙螺旋結構

45PPT課件用AFM觀察細胞生長

46PPT課件用AFM觀察細胞生長

46PPT課件納米加工

利用AFM可以對樣品進行表面原子搬運，原子蝕刻，從而制造納米器件用AFM針尖移動Si原子形成的IBM文字STM針尖移動原子形成的圖形文字47PPT課件納米加工

利用AFM可以對樣品進行表面原子搬運，原子蝕刻，從遭瘧疾感染的人體紅血球和藍藻