afm原子力顯微鏡原理

原子力顯微鏡

小組成員：張翔張堯原子力顯微鏡的歷史原子力顯微鏡(AFM)也稱掃描力顯微鏡，是針對(duì)掃描隧道顯微鏡不能直接觀測(cè)絕緣體外表形貌的問(wèn)題，在其根底上開展起來(lái)的又一種新型外表分析儀器。由于STM分析材料只限于導(dǎo)體和半導(dǎo)體，在1986年，由IBM公司的Binnig和Quate創(chuàng)造了原子力顯微鏡利用探針針尖和欲測(cè)試樣品間的范德華力的強(qiáng)弱，得知樣本外表起伏上下和幾何形狀，由于其沒(méi)有使用STM的電子隧道效應(yīng)原理，因而樣本可以為導(dǎo)體和非導(dǎo)體，解決了STM在材料上的限制。根本原理將一個(gè)對(duì)微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品外表輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品外表原子間存在極微弱的排斥力，通過(guò)在掃描時(shí)控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對(duì)應(yīng)于針尖與樣品外表原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的外表方向起伏運(yùn)動(dòng)。根本原理當(dāng)掃描樣品時(shí)，激光可測(cè)量微懸臂的彎曲變形。在x、y、z位置上的掃描通過(guò)壓電轉(zhuǎn)換器顯示。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制xyz位移，記錄反射的激光信號(hào)，專用軟件處理這些數(shù)據(jù)，構(gòu)成樣品形貌圖。原子力顯微鏡優(yōu)點(diǎn)：AFM提供真正的三維外表圖。AFM不需要對(duì)樣品的任何特殊處理，如鍍銅或碳，這種處理對(duì)樣品會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。電子顯微鏡需要運(yùn)行在高真空條件下，原子力顯微鏡在常壓下甚至在液體環(huán)境下都可以良好工作。原子力顯微鏡缺點(diǎn)：成像范圍太小，最大只有百微米范圍速度慢，掃描一個(gè)樣品需要至少數(shù)小時(shí)受探頭的影響太大布魯克發(fā)布原子力顯微鏡新品美國(guó)加利福尼亞州當(dāng)?shù)貢r(shí)間2011年5月2日，布魯克〔Bruker〕發(fā)布了一款具有創(chuàng)新性和獨(dú)特外形的原子力顯微鏡新品。利用多項(xiàng)新技術(shù)是掃描速度大幅提升，在不犧牲圖像精度的情況下，可以在數(shù)分鐘甚至數(shù)秒內(nèi)完成掃描?。?！根本結(jié)構(gòu)由以下三大局部構(gòu)成力檢測(cè)局部位置檢測(cè)局部反響系統(tǒng)根本結(jié)構(gòu)力檢測(cè)局部：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〔cantilever〕來(lái)檢測(cè)原子之間力的變化量。微懸臂通常由一個(gè)一般100~500μm長(zhǎng)和大約500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微懸臂頂端有一個(gè)鋒利針尖，用來(lái)檢測(cè)樣品－針尖間的相互作用力。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，而選擇不同類型的探針。根本結(jié)構(gòu)位置檢測(cè)局部：在原子力顯微鏡〔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cantilever擺動(dòng)，所以當(dāng)激光照射在微懸臂的末端時(shí)，其反射光的位置也會(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)，以供專門控制器作信號(hào)處理。根本結(jié)構(gòu)反響系統(tǒng)在原子力顯微鏡〔AFM〕的系統(tǒng)中，將信號(hào)經(jīng)由激光檢測(cè)器取入之后，在反響系統(tǒng)中會(huì)將此信號(hào)當(dāng)作反響信號(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一定的作用力。工作模式主要有以下三種模式接觸模式(contactmode)非接觸模式(non-contactmode)敲擊模式(tappingmode)工作模式接觸模式：接觸模式是AFM最直接的成像模式。在整個(gè)掃描成像過(guò)程之中，探針針尖始終與樣品外表保持親密的接觸，而相互作用力是排斥力。掃描時(shí)，懸臂施加在針尖上的力有可能破壞試樣的外表結(jié)構(gòu)，因此力的大小范圍在10-10～10-6N。假設(shè)樣品外表柔嫩而不能承受這樣的力，便不宜選用接觸模式對(duì)樣品外表進(jìn)行成像。工作模式接觸模式〔ContactMode〕：優(yōu)點(diǎn)：掃描速度快，是唯一能夠獲得“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(shí)更適于用ContactMode掃描成像。缺點(diǎn)：橫向力影響圖像質(zhì)量，而且針尖刮擦樣品會(huì)損壞軟質(zhì)樣品〔如生物樣品，聚合體等〕。工作模式非接觸模式非接觸模式探測(cè)試樣外表時(shí)懸臂在距離試樣外表上方5～10nm的距離處振蕩。這時(shí)，樣品與針尖之間的相互作用由范德華力控制，通常為10-12N，樣品不會(huì)被破壞，而且針尖也不會(huì)被污染，特別適合于研究柔嫩物體的外表。工作模式非接觸模式〔Non-ContactMode〕：優(yōu)點(diǎn)：沒(méi)有力作用于樣品外表。缺點(diǎn)：由于針尖與樣品別離，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TappingMode和ContactModeAFM。通常僅用于非常怕水的樣品，吸附液層必須薄，如果太厚，針尖會(huì)陷入液層，引起反響不穩(wěn)，刮擦樣品。工作模式敲擊模式：敲擊模式介于接觸模式和非接觸模式之間，是一個(gè)雜化的概念。懸臂在試樣外表上方以其共振頻率振蕩，針尖僅僅是周期性地短暫地接觸/敲擊樣品外表。這就意味著針尖接觸樣品時(shí)所產(chǎn)生的側(cè)向力被明顯地減小了。因此當(dāng)檢測(cè)柔嫩的樣品時(shí)，AFM的敲擊模式是最好的選擇之一。工作模式輕敲模式〔TappingMode〕：優(yōu)點(diǎn)：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(cè)軟、易碎、或膠粘性樣品，不會(huì)損傷其外表。缺點(diǎn)：比ContactModeAFM的掃描速度慢。原子力顯微鏡對(duì)樣品的要求

原子力顯微鏡研究對(duì)象可以是有機(jī)固體、聚合物以及生物大分子等，樣品的載體選擇范圍很大,包括云母片、玻璃片、石墨、拋光硅片、二氧化硅和某些生物膜等,其中最常用的是新剝離的云母片,主要原因是其非常平整且容易處理。而拋光硅片最好要用濃硫酸與30%雙氧水的7∶3混合液在90℃下煮1h。利用電性能測(cè)試時(shí)需要導(dǎo)電性能良好的載體,如石墨或鍍有金屬的基片。原子力顯微鏡對(duì)樣品的要求試樣的厚度