90原子力显微镜

小组成员：石康闫帅帅熊吉磊原子力显微镜（AFM）AFM是什么1.AFM的发展历史2.AFM的工作原理3.AFM的仪器结构4.AFM的工作模式5.AFM的工作环境6.AFM的特点及应用7.原子力显微镜（AFM）•原子力显微镜（AtomicForceMicroscope，AFM），也叫扫描力显微镜。一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。原子力显微镜（AFM）AFM的发展历史•1938年，德国工程师MaxKnoll和ErnstRuska制造出了世界上第一台透射电子显微镜（TEM）•1952年，英国工程师CharlesOatley制造出了第一台扫描电子显微镜（SEM）至此，电子显微镜的分辨率达到纳米级。AFM的发展历史•1983年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家GerdBinnig和HeinrichRohrer发明了扫描隧道显微镜（STM），STM的原理是电子的“隧道效应”，所以只能测导体和部分半导体。•应用电子的“隧道效应”这一原理，对导体或半导体进行观测。AFM的发展历史•1985年，IBM公司的Binning和Stanford大学的Quate研发出了原子力显微镜（AFM），弥补了STM的不足。AFM不但可测样品的表面形貌，达到接近原子分辨率，还可测量表面原子间的力，测量表面的弹性，塑性，硬度，摩擦力等性质。AFM分辨率：横向0.15nm，纵向0.05nm。STM分辨率：横向0.1nm，纵向0.01nmAFM的原理•原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的作用力（主要是范德华力），通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。AFM原理图原子之间的交互作用力•原子力显微镜与扫描隧道显微镜最大的差别在于并非利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范德华力作用来呈现样品的表面特性。•假设两个原子中，一个是在悬臂的探针尖端，另一个是在样本的表面，它们之间的作用力会随距离的改变而变化，其作用力与距离的关系如图所示。•当原子与原子很接近时，彼此电子云斥力的作用大于原子核与电子云之间的吸引力作用，所以整个合力表现为斥力的作用，反之若两原子分开有一定距离时，其电子云斥力的作用小于彼此原子核与电子云之间的吸引力作用，故整个合力表现为引力的作用。仪器结构•在原子力显微镜的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈控制系统。•力检测部分：在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是使用微悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变化量。微悬臂通常由一个一般100~500μm长和大约500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品－针尖间的相互作用力。这微悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。仪器结构位置检测部分：在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂（cantilever）摆动，这时就需要监测悬臂的运动情况。悬臂的偏转或振幅改变可以通过多种方法检测，包括：光反射法、光干涉法、隧道电流法、电容检测法等。目前AFM系统中常用的是激光反射检测系统，它具有简便灵敏的特点。激光反射检测系统由探针、激光发生器和光检测器组成.所以当激光照射在悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供专门控制器作信号处理。仪器结构•反馈控制系统：在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持合适的作用力。最后由计算机部分接收并分析扫描所得的信号，并以特定的方式输出。原子力显微镜（AFM）便是结合以上三个部分来将样品的表面特性呈现出来的：在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微悬臂来感测针尖与样品之间的交互作用，测得作用力。这作用力会使微悬臂摆动，再利用激光将光照射在微悬臂的末端，当摆动形成时，会使反射光的位置改仪器结构变而造成偏移量，此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的方式给呈现出来。仪器结构工作模式原子力显微镜的工作模式是以针尖与样品之间的作用力的形式来分类的。主要有以下3种操作模式：接触模式（contactmode)非接触模式（non-contactmode)敲击模式(tappingmode）接触式工作模式在接触模式中，探针的针尖部分保持与样品表面接触，其主要作用力是库仑排斥力。微悬臂探针压在样品表面，探针尖端和样品做柔软性的“实际接触”，当针尖轻轻扫过样品表面时，接触的力量引起悬臂弯曲，进而得到样品的表面图形。vanderWaalsforcecurve接触式工作模式的特点（1）该方式可以稳定地获得高分辨率试样表面微观形貌图像，有可能达到原子级的测量分辨率。（2）检测弹性模量低的软质试样时，试样表层在针尖力的作用下会产生变形，甚至划伤，这将使测出的表面形貌图像出现假象。（3）针尖和试样接触并滑行，容易使探针尖磨损甚至损坏。非接触式工作模式针尖在样品表面的上方振动，始终不与样品接触，测量的作用力是以范德华力为主的吸引力。探针回到当前行扫描的开始点，增加探针与样品之间的距离，根据第一次扫描得到的样品形貌，始终保持探针与样品之间的距离，进行第二次扫描。在这个阶段，可以通过探针悬臂振动的振幅和相位的变化，得到相应的长程力的图像。vanderWaalsforcecurve范德华吸引力非接触式工作模式的特点（1）探针和试样不接触，针尖测量时不会使试样表面变形，适用于弹性模量低的试样。（2）因针尖和试样不接触，测量不受毛细力的影响，同时针尖也不易磨损。（3）非接触扫描测量模式测量灵敏度要低些。轻敲工作模式一个外加的振荡信号驱动微悬臂在其共振频率附近做受迫振动，振荡的针尖轻轻的敲击表面，间断地和样品接触。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。vanderWaalsforcecurve轻敲工作模式的特点（1）轻敲模式的分辨率和接触模式一样好。（2）对于一些与基底结合不牢固的样品，轻敲模式与接触模式相比，很大程度地降低了针尖对表面结构的“搬运效应”。（3）样品表面起伏较大的大型扫描比非接触式的更有效。（4）较软及粘性较大的样品，应尽量选择轻敲模式。三种模式的比较：•接触模式（ContactMode）：优点：扫描速度快，是唯一能够获得“原子分辨率”图像的AFM。垂直方向上有明显变化的质硬样品，有时更适于用接触式扫描成像。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）。•非接触模式（Non-ContactMode）：优点：没有刮擦作用于样品表面。三种模式的比较：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，其扫描速度低于轻敲式和接触式AFM。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，非接触模式的使用受到限制。•轻敲模式（TappingMode）：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：比接触模式AFM的扫描速度慢。原子力显微镜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：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．真空AFM避免了大气中杂质和水膜的干扰，但其操作较复杂。(2)气相环境：在气相环境中，AFM操作比较容易，它是广泛采用的一种工作环境．因AFM操作不受样品导电性的限制，它可以在空气中研究任何固体表面，气相环境中AFM多受样品表面水膜干扰。(3)液相环境：在液相环境中．AFM是把探针和样品放在液池中工作，它可以在液相中研究样品的形貌．液相中AFM原子力显微镜工作环境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的应用十分广阔，它包括生物体系、腐蚀或任一液固界面的研究．(4)电化学环境：正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的特点及应用1.原子级高分辨率，在平行和垂直于样品表面方向分别可达0.1nm和0.01nm.2.可实时的得到实空间中表面的三维图像，可用于具有周期或不具备周期性的表面结构。3可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是整个表面的平均性质4.可在真空，大气及常温等不同环境下工作，甚至可以浸在水和其他溶液中。5．高分辨力能力远远超过扫描电子显微镜（SEM），以及光学粗糙度仪。样品表面的三维数据满足了研究、生产、质量检验越来越微观化的要求。6．非破坏性，探针与样品表面相互作用力为10－8N以下，远比以往触针式粗糙度仪压力小，因此不会损伤样品，也AFM的特点及应用不存在扫描电子显微镜的电子束损伤问题。另外扫描电子显微镜要求对不导电的样品进行镀膜处理，而原子力显微镜则不需要。7．应用范围广，可用于表面观察、尺寸测定、表面粗糙测定、颗粒度解析、突起与凹坑的统计处理、成膜条件评价、保护层的尺寸台阶测定、层间绝缘膜的平整度评价、VCD涂层评价、定向薄膜的摩擦处理过程的评价、缺陷分析等。8．软件处理功能强，其三维图象显示其大小、视角、显示色、光泽可以自由设定。并可选用网络、等高线、线条显示。图象处理的宏管理，断面的形状与粗糙度解析，形貌AFM的特点及应用解析等多种功能。9．原子力显微镜的应用范围十分广泛，其适用于生物、高分子、陶瓷、金属材料、矿物、皮革等固体材料等的显微结构和纳米结构的观测，以及粉末、微球颗粒形状、尺寸及粒径分布的观测等文字内容