AFM培训资料

布鲁克DimensionIcon扫描探针显微镜培训资料（第一期）2015年3月23日AFM学习交流qq群：431742043（本资料仅限本人学习使用，未经许可，请勿网上上传！）1.课程结束之后会有理论考试，75分为及格，课程考试不及格者没有上机资格，请做好笔记。2.取得上机资格的仅限参加培训并取得仪器分析中心颁发的结业证书者，其他任何人不得使用AFM，如若发现有违规操作者做封号处理，撤销上机资格。3.使用AFM时请严格按照操作流程来进行，如若损坏，个人负责。4.拷贝数据时，请使用空白光盘，不要拿用过的光盘及U盘，以避免感染病毒危险，如若损坏，个人负责。5.AFM的耗材---探针需测试者自备，可以自行购买或者向仪器分析中心购买（可单只购买，价格为原价的1.5~2倍）。须知：1扫描探针显微镜概述1982年，扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicroscope，STM）的问世轰动了科学界，这是第一种能在原子尺度真实反映材料表面信息的仪器，它利用探针和导电表面之间随距离成指数变化的隧穿电流来进行成像，使人们第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广阔的应用前景，被科学界公认为二十世纪八十年代世界十大科技成就之一。STM的发明人，IBM公司苏黎世实验室的Binnig和Rohrer，于1986年被授予诺贝尔物理学奖。但STM的工作原理决定了它只能对导电样品的表面进行研究，而不能对绝缘体表面进行检测。为了弥补STM这一不足，1986年IBM公司的Binnig和斯坦福大学的Quate及Gerber合作发明了原子力显微镜（AtomicForceMicroscope，AFM）。AFM可以在真空、大气甚至液下操作，既可以检测导体、半导体表面，也可以检测绝缘体表面，因此迅速发展成研究纳米科学的重要工具。在STM和AFM的基础上，又相继发展出了近场光学显微镜（ScanningNearFieldOpticalMicroscope,SNOM）、扫描电容显微镜（ScanningCapacitiveMicroscope，SCM）、磁力显微镜（MagneticForceMicroscope，MFM）、横向力显微镜（LateralForceMicroscope，LFM）、静电力显微镜（ElectrostaticForceMicroscope，EFM）、开尔文探针显微镜（KelvinProbeForceMicroscope，KFM）等,这类基于扫描探针成像的显微仪器统称为扫描探针显微镜（ScanningProbeMicroscope，SPM）。SPM具有以下独特的优点：原子级的高分辨率、实时成像、可以直接研究表面局域性质。它是一种跨越了光学显微镜和电子显微镜两类仪器工作范围的精密成像仪器，同时也是一种具有极高分辨率的表面性质测量仪器。得益于SPM丰富的工作模式，它被广泛应用于科学研究的各个领域，从基础的表面形貌表征到材料表面的性质分析，从材料科学到生命科学，SPM已经逐步演化为研究纳米科学的不可或缺的重要工具。SPM的工作原理：SPM是一类仪器的统称，最主要的SPM是STM和以AFM为代表的扫描力显微镜（ScanningForceMicroscope，SFM）。SPM的两个关键部件是探针（Probe）和扫描管（Scanner），当探针和样品接近到一定程度时，如果有一个足够灵敏且随探针-样品距离单调变化的物理量P=P(z)，那么该物理量可以用于反馈系统（FeedbackSystem，FS），通过扫描管的移动来控制探针-样品间的距离，从而描绘材料的表面性质[11]。图1-1是SPM工作原理的示意图。SPM工作原理示意图。图片来源于文献。以形貌成像为例，为了得到表面的形貌信息，扫描管控制探针针尖在距离样品表面足够近的范围内移动，探测两者之间的相互作用，在作用范围内，探针产生信号来表示随着探针-样品距离的不同相互作用的大小，这个信号称为探测信号（DetectorSignal）。为了使探测信号与实际作用相联系，需要预先设定参考阈值（Setpoint），当扫描管移动使得探针进入成像区域中时，系统检测探测信号并与阈值比较，当两者相等时，开始扫描过程。扫描管控制探针在样品表面上方精确地按照预设的轨迹运动，当探针遇到表面形貌的变化时，由于探针和样品间的相互作用变化了，导致探测信号改变，因此与阈值产生一个差值，叫做误差信号（ErrorSignal）。SPM使用Z向反馈来保证探针能够精确跟踪表面形貌的起伏。Z向反馈回路连续不断地将探测信号和阈值相比较，如果两者不等，则在扫描管上施加一定的电压来增大或减小探针与样品之间的距离，使误差信号归零。同时，软件系统利用所施加的电压信号来生成SPM图像。具体到轻敲模式AFM，我们可以把整个扫描过程表述如下：系统以悬臂振幅作为反馈信号，扫描开始时，悬臂的振幅等于阈值，当探针扫描到样品形貌变化时，振幅发生改变，探测信号偏离了阈值而产生了误差信号。系统通过PID控制器消除误差信号，引起扫描管2的运动，从而记录下样品形貌。整个AFM系统如图1-2所示。AFM工作原理示意图。SPM的成像模式：用于反馈的物理量P不同，SPM的成像模式就不同，下表给出了SPM的几种基本成像模式。不同的物理量用于SPM的反馈系统时对应的成像模式由于很多扫描探针显微术都是从AFM衍生出来的，我们这里只简单介绍一下AFM的几种基本成像模式。3用于反馈的物理量P基本成像模式隧穿电流iSTM悬臂振幅A轻敲模式AFM（TappingModeAFM）悬臂弯曲量D接触模式AFM（ContactModeAFM）悬臂弯曲量D非接触模式AFM（TRmodeAFM）探针-样品相互作用F峰值力AFM（PeakForceTappingAFM）4接触模式AFM（ContactModeAFM）：微悬臂探针紧压样品表面，检测时与样品保持接触，作用力（斥力）通过悬臂梁的变形进行测量。优点：扫描速度快，是唯一能够获得“原子分辨率”图像的AFM。对于垂直方向上有明显变化的质硬样品，有时更适于ContactMode扫描成像。缺点：横向力影响图像质量。在空气中，因为样品表面吸附液层的毛细作用，使针尖与样品之间的粘着力很大。横向力与粘着力的合力导致图像空间分辨率降低，而且针尖刮擦样品会损坏软质样品（如生物样品，聚合体等）。因此，这种模式不适用于研究生物大分子、低弹性模量样品以及容易移动和变形的样品。轻敲模式AFM（TappingModeAFM）：用处于共振状态、上下振荡的微悬臂探针对样品表面进行扫描，样品表面起伏使微悬臂探针的振幅产生相应变化，从而得到样品的表面形貌。该模式下，针尖对样品进行“敲击”，两者间只有瞬间接触，能有效克服接触模式下针尖引起的相互损伤，适合于柔软或吸附样品的检测。优点：很好的消除了横向力的影响。降低了由吸附液层引起的力，图像分辨率高，适于观测软、易碎、或胶粘性样品，不会损伤其表面。缺点：比ContactModeAFM的扫描速度慢。非接触模式（Non-ContactModeAFM）：悬臂在距离试样表面上方5～10nm的距离处振荡，作用力（引力）通过悬臂梁的变形进行测量。这种操作模式的不利之处在于要在室温大气环境下实现这种模式十分困难。因为样品表面不可避免地会积聚薄薄的一层水，它会在样品与针尖之间搭起一小小的毛细桥，将针尖与表面吸在一起，从而增加尖端对表面的压力。优点：没有力作用于样品表面，样品不会被破坏，而且针尖也不会被污染，特别适合于研究柔嫩物体的表面。缺点：由于针尖与样品分离，横向分辨率低；为了避免接触吸附层而导致针尖胶粘，其扫描速度低于TappingMode和ContactMode模式。通常仅用于非常怕水的样品，吸附液层必须薄，如果太厚，针尖会陷入液层，引起反馈不稳，刮擦样品。由于上述缺点，此模式的使用受到限制。PeakForceTappingAFM：这是Bruker公司发布的一种新的基本成像模式，默认采用2kHz的频率在整个表面做力曲线，利用峰值力做反馈，通过扫描管的移动来保持探针和样品之间的峰值力恒定，从而反映出表面形貌。其优点是直接用力做反馈使得探针和样品间的相互作用可以很小，这样就能够对很黏很软的样品成像；同时，使用力直接作为反馈，可以直接定量得到表面的力学信息。5AFM的工作环境：原子力显微镜受工作环境限制较少，它可以在超高真空、气相、液相和电化学的环境下操作。(1)真空环境：真空环境可以避免大气中杂质和水膜的干扰，但其操作较复杂。最早的扫描隧道显微镜(STM)研究是在超高真空下进行操作的。后来随着AFM的出现，人们开始使用真空AFM研究固体表面。(2)气相环境：气相环境中，AFM多受样品表面水膜干扰，但其操作比较容易，它是广泛采用的一种工作环境。它可以在空气中研究任何固体表面且不受样品导电性的限制。(3)液相环境：液相环境中，AFM消除了针尖和样品之间的毛细现象，因此减少了针尖对样品的总作用力。液相AFM可以在液相中研究样品的形貌，其应用十分广阔，可用于生物体系、腐蚀或液固界面的研究。(4)电化学环境：如超高真空系统一样，电化学系统为AFM提供了另一种控制环境。电化学AFM是在原有AFM基础上添加了电解池、双恒电位仪和相应的应用软件。电化学AFM可以现场研究电极的性质，包括化学和电化学过程诱导的吸附、腐蚀以及有机和生物分子在电极表面的沉积和形态变化等。AFM的优点：1）高分辨率光学显微镜受到光源波长的限制，其分辨率在数百纳米以上，只能在微米尺度表征样品；AFM具有纳米级的空间分辨率，能够解析样品的超微结构，将研究尺度拓展至分子水平。2）样品制备简单SEM、TEM等电镜技术也能实现高分辨，但复杂的制样（如化学固定、脱水、金属镀膜、超薄切片等）可能会改变样品本身的性质；AFM对样品几乎没有限制。3）可以在多种环境条件下工作AFM能够在气相、液相环境中工作，使样品在接近自然状态下进行观测；能够通过改变环境条件（气氛、离子浓度、pH、温/湿度等）研究环境对样品的影响。可以提供丰富的信息除形貌外，AFM还能提供样品在力学、电学、磁学等多方面的信息。AFM的缺点：1）扫描范围较小与SEM相比，AFM成像范围小，容易将局部的、特殊的结果当作整体的结果而分析，以及使实验结果缺乏重现性。2）受样品因素限制较大由于分辨率很高，使得在样品制备过程中产生的或者是从背景噪音中产生的极小赝像都能够被检测、观察到，产生赝像。（不可避免）3）针尖易磨钝或受污染磨损无法修复，污染清洗困难。6提高图像分辨率的方法：1、发展新的技术或模式来提高分辨率，即从硬件设备以及成像机理上提高成像分辨率。2、选择尖端曲率半径小的针尖，减小针尖与样品之间的接触面积，减小针尖的放大效应，以提高分辨率。3、尽量避免针尖和样品表面的污染。如果针尖上有污染物，就会造成与表面之间的多点接触，出现多针尖现象，造成假像。如果表面受到了污染，在扫描过程中表面污染物也可能粘到针尖上，造成假像的产生。4、控制测试气氛，消除毛细作用力的影响。由于毛细作用力的存在，在空气中进行AFM成像时会造成样品与针尖的接触面积增大，分辨率降低。此时，可考虑在真空环境下测定，在气氛控制箱中冲入干燥的N2，或者在溶液中成像等。溶液的介电性质也可以影响针尖与样品间范德华作用力常数，从而有可能减小它们之间的吸引力以提高成像分辨率。不过液体对针尖的阻尼作用会造成反馈的滞后效应，所以不适用于快速扫描过程。AFM测试对样品的要求：1）原子力显微镜研究对象可以是有机固体、聚合物以及生物大分子等，样品的载体选择范围很大，包括云母片、玻璃片、石墨、抛光硅片、二氧化硅和某些生物膜等，其中最常用的是新剥离的云母片，主要原因是其非常平整且容易处理。而抛光硅片最好要用浓硫酸与30%双氧水的7∶3混合液在90℃下煮1h。2）如果试样过重，有时会影响Scanner的动作，请不要放过重的试样；试样的大小以不大于试样台的大小为大致的标准，稍微大一点也没问题，对于本实验