第三章-2-原子力显微镜

1第二章扫描探针技术第一节扫描隧道显微镜技术第二节原子力显微镜技术2原子力显微技术原子力显微技术AtomicForceAtomicForceMicroscopyMicroscopy•Introduction•Principles•AFMInstrumentation•AFMExamples•OtherSPMTechniques3概况AFM的产生背景•能用STM研究的材料必须具有一定的导电性，体导电率高于10-9S/m的样品能用商品STM进行研究。•如果用普通的STM研究电阻率很高的材料，就需要用大偏压且样品很薄，否则针尖会插入样品直至针尖与导电性好的基底能达到设定的隧道电流时，STM才能正常工作。•在STM实验中还发现针尖-样品间存在力的相互作用。•1985年，IBM公司的Binning（STM的发明者，1986年诺贝尔物理学奖）和Stanford大学的Quate在STM基础上研发出了原子力显微镜（AFM），可用于研究绝缘体样品的表面结构，弥补了STM的不足。以后又衍生出一系列测量力的科学仪器，统称扫描力显微镜(ScanningForceMicroscope,SFM)。4概况5概况67概况AFM的三大特点™原子级的高分辨率™观察活的生命样品光学显微镜的放大倍数一般都超不过1000倍;电子显微镜的放大倍数极限为100万倍;AFM的放大倍数能高达10亿倍电子显微镜的样品必须进行固定、脱水、包埋、切片、染色等一系列处理,因此电子显微镜只能观察死的细胞或组织的微观结构;原子力显微镜的样本可以是生理状态的各种物质,在大气条件或溶液中都能进行,因而只需很少或不需对样品作前期处理,这样,就使AFM能观察任何活的生命样品及动态过程。Canmeasuresurfacefeatureswithdimensionsrangingfrominter-atomicspacingto0.1mmResolutionlimitedbysizeoftip(2-3nm)Resolutionofimaging5nmlateraland.01nmvertical8概况AFM的三大特点™加工样品的力行为AFM能测试样品的硬度和弹性等;AFM还能产生和测量电化学反应；AFM还具有对标本的分子或原子进行加工的力行为，例如:可搬移原子、切割染色体、在细胞膜上打孔等等。9概况AFM的优点™STM是由针尖与样品之间的隧道电流的变化决定的，STM要求样品表面能够导电，只能直接观察导体和半导体的表面结构。对于非导电的物质则要求样品覆盖一层导电薄膜，但导电薄膜的粒度和均匀性难以保证，且掩盖了物质表面的细节。™AFM利用原子之间的范德华力来呈现样品的表面特性。因此，AFM除导电样品外，还能够观测非导电样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆盖，其应用领域将更为广阔。10概况AFM的优点™AFMversusSTM(scanningtunnelingmicroscope):bothconductorsandunsulators™AFMversusSEM(scanningelectronmicroscope):greatertopographiccontrast™AFMversusTEM(transmissionelectronmicroscope):noexpensivesampleprep11概况AFM的优点•SEMAFM•WiderangeofsampleroughnessTrue3Dimage•OperatedinlowtohighvacuumVacuum,AirorLiquid12概况AFM的缺点™受样品因素限制较大（不可避免）™针尖易磨钝&受污染（磨损无法修复；污染清洗困难）™针尖—样品间作用力较小13STM基础上发展起的SPM•原子力显微镜(AFM)•磁力显微镜（MFM）•摩擦力显微镜（LFM）•静电力显微镜（EFM）•弹道电子发射显微术（BEEM）•扫描离子电导显微镜（SICM）•扫描热显微镜(STM）•扫描隧道电位仪（STP）•光子扫描隧道显微镜（PSTM）•扫描近场光学显微镜（SNOM)概况14原子力显微技术原子力显微技术AtomicForceAtomicForceMicroscopyMicroscopy•Introduction•Principles•AFMInstrumentation•AFMExamples•OtherSPMTechniques15AFM的工作原理•AFMprobesthesamplesurfacewithasharptip:acoupleμmlong•Tiplocatedonthefreeendofacantilever:100–200μmlong•Forcesbetweenthetipandsampledeflectthecantilever•Detectormeasuredeflectionasthetipscanoverthesurface•Measureddeflectionsoverscannedareaenablestoconstructtopographicimage16AFM的工作原理•针尖在样品表面扫描就能得到力分布图或样品表面的形貌像。•力包括：VanderWaals力、摩擦力、黏附力、静电力和磁力等。•AFM检测的是针尖-样品间的力，而不是STM中那样检测针尖-样品间的隧道电流。17AFM的工作原理原子、分子间作用力•自然界存在四种基本力：万有引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力•这些力是普遍的，它们的有效作用距离范围从10-15m的核子间强相互作用到1026m阻滞宇宙膨胀的引力•电磁力是各种普遍的力，如摩擦力、黏滞力、毛细力等的基础18≈1010光年≈10m宇宙室内灯光电磁力(可见光)≈1010光年≈4x108m宇宙地球-月球引力≈10-7m针尖-样品间电容电磁力(静电力)≈1.3x107光年≈10-7m地球磁场磁畴电磁力(磁力)≈10-7m≈10-8m交错圆柱体(RD)针尖-样品(RD)电磁力(范德瓦耳斯力)≈10-3m≈10-9m玻璃上水的弯月面针尖-样品间凹形弯月面电磁力(毛细凝聚)≈10-9m跳-接触电磁力(黏附力)短程力≈10-10m接触电磁力(排斥力)≈10-15m核子强相互作用力≈10-15mβ衰变弱相互作用力长程力作用距离例子力作用力的种类和范围19AFM的工作原理原子、分子间作用力力是势能U的负梯度。垂直于样品表面的表面力DUF∂∂−=势能U离开样品的垂直距离样品的力梯度：样品势能U的二阶偏微商或负的力梯度KDDUF−=∂∂−=22DUK∂∂=AFM中，作用力的数据可由两种方法产生：1）测量悬臂的偏转位移D，得到悬臂上的作用力F=−KD；2）调制悬臂振动，测量悬臂振动的振幅、频率和相移变化，作为总力梯度的函数20AFM的工作原理造成原子力显微镜悬臂偏转的力21•范德瓦尔斯力•毛细力：由于通常环境下，在样品表面存在一层水膜，水膜延伸并包裹住针尖，就会产生毛细力，它具有很强的吸引(大约为10-8N)。•范德瓦尔斯力和毛细力的合力构成接触力AFM的工作原理造成原子力显微镜悬臂偏转的力接触非接触间歇的接触吸引力排斥力22AFM的工作原理造成原子力显微镜悬臂偏转的力范德瓦尔斯力接触非接触间歇的接触吸引力排斥力原子与原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离的不同而有所不同，其之间的能量表示也会不同23AFM的工作原理造成原子力显微镜悬臂偏转的力范德瓦尔斯力吸引力•在非接触区间，悬臂和样品间的原子距离保持在几纳米至几十纳米的量级，相互间存在的是吸引力，这种吸引力来自长程的范德瓦尔斯相互作用。•当悬臂和样品间距离达到约为化学键长时（小于1nm），原子间作用力变为零。24AFM的工作原理造成原子力显微镜悬臂偏转的力范德瓦尔斯力排斥力•若缝隙进一步减小，范德瓦尔斯力成为正值的排斥力，此时原子是接触的，悬臂和样品间是排斥力。在排斥区间，范德瓦尔斯力曲线的斜率是非常陡的。25AFM的工作原理CantileverDeflectionMeasurementTechniquesCantileverDeflectionMeasurementTechniquesMirrorLaser(PSPD)PSPDDisplacement~1.0nmOthermethods:OpticalinterferencePiezoresistivedetection•AFM使用一个一端固定，另一端装有针尖这样一个对微弱力敏感的悬臂。针尖长为若干微米，直径通常小于100nm，悬臂长100-200微米。•当针尖在样品上方扫描或样品在针尖下做光栅式运动时，针尖和样品表面间的力（吸引力或排斥力）导致悬臂弯曲或偏转。•探测器可实时地检测悬臂的状态，不断调整针尖（或样品）Z轴方向的位置，并将其对应的表面形貌像显示纪录下来。26AFM的工作原理CantileverDeflectionMeasurementTechniquesCantileverDeflectionMeasurementTechniques•针尖和样品表面间的力导致悬臂弯曲或偏转。•当针尖在样品上方扫描或样品在针尖下做光栅式运动时，探测器可实时地检测悬臂的状态，并将其对应的表面形貌像显示纪录下来。27AFM的分类AFM是利用微小探针与待测物之间作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。所以在AFM中也利用斥力与吸引力的方式发展出不同的操作模式•接触式原子力显微镜（contactAFM）－利用原子斥力的变化而产生表面轮廓。探针与样品表面的距离约数个Å。•非接触式原子力显微镜（non-contactAFM）－利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓。探针与样品表面的距离约数十到数百Å。•间歇接触模式原子力显微镜(Intermittent-ContactAFM)或敲击式原子力显微镜(TappingModeAFM)－是接触与非接触两种模式的混合。AFM的工作原理28AFM的工作原理接触式ContactMode•接触式，也被称为排斥力模式，AFM针尖与样品有轻微的物理接触。•在这种工作模式下，针尖和与之相连的悬臂受范德瓦尔斯力和毛细力两种力的作用，二者的合力构成接触力。•当扫描器驱动针尖在样品表面（或样品在针尖下方）移动时，接触力会使悬臂弯曲，产生适应形貌的变形。检测这些变形，便可以得到表面形貌像。•AFM检测到悬臂的偏转后，则可工作在恒高或恒力模式下获取形貌图像或图形文件。ContactAFMmode,knownasrepulsivemode,anAFMtipmakessoftphysicalcontactwiththesample.Thetipisattachedtotheendofacantileverwithalowspringconstant,lowerthantheeffectivespringconstantholdingtheatomsofthesampletogether.Asthescannergentlytracesthetipacrossthesample(orthesampleunderthetip),thecontactforcecausesthecantilevertobendtoaccommodatechangesintopography.29AFM的工作原理接触式ContactMode•在恒高模式，扫描器的高度是固定的，悬臂的形态变化直接转换成形貌数组。•恒高模式常被用于获得原子级平整样品的原子分辨像。•在恒力模式，悬臂变形被输入到反馈电路，控制扫描器上下运动，以维持针尖和样品原子的相互作用力恒定。在此过程中，扫描器的运动被转换成图像或图形文件。•恒力工作模式的扫描器速度受限于反馈回路的响应时间，但针尖施加在样品上的力得到很好的控制，故在大多数应用中被优先选用。30AFM的工作原理接触式ContactModeContactModeAFMConceptsContactModeAFMConcepts31AFM的工作原理接触式ContactModeContactModeAFMC