原子力显微镜atomicforcemicroscope

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1、原子力显微镜AtomicForceMicroscope品质管理部信赖性管理科分析解析室顾方晗目录显微镜的发展史原子力显微镜的原理结构工作模式应用显微镜的发展历史光学显微镜透射电子显微镜扫描隧道显微镜扫描电子显微镜原子力显微镜光学显微镜16世纪末，荷兰的眼镜商ZacchariasJanssen,第一台复合式显微镜，倍数太低透射电子显微镜（TEM）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）。扫描电子显微镜（SEM）1952年，英国工程师CharlesOatley制造出了第一台扫描电子显微镜（SEM）。扫描隧道显微镜（S

2、TM）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。原子力显微镜（AFM）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，可以用来测量任何样品的表面。AFM的原理AFM是在STM的基础上发展起来的一种显微技术。那么，首先我们先来了解下STM的工作原理。STM是利用原子间的隧道效应进行测量的。隧道效应经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量

3、则不能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好像有一个隧道，故名隧道效应。就像在山坡上开一隧道，自行车从中穿过一样。可见，宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小，但在某些特丁的条件下宏观的隧道效应也会出现。STM就是根据这种效应制成的。当针尖和样品面间距足够小时（<0.4nm），在针尖和样品间施加一偏

4、置电压，便会产生隧道效应，电子会穿过势垒，在针尖和样品间流动，形成隧道电流。在相同的偏置电压下，电流强度对针尖和样品间的距离十分敏感，隧道电流随间距呈指数变化，样品表面的形貌影响着隧道电流的剧烈变化，这种电流变化有计算机进行处理就可以的到样品表面的形貌了。STM的结构与工作过程带电极的压电管（根据隧道电流的的大小随时调整针尖和样品的距离，以保持隧道电流的恒定）压电管控制电压隧道电流放大器距离控制和扫描单元隧道电压（用以产生隧道效应）数据处理及显示AFM的基本原理AFM是在STM的基础上发展起来的。所不同的是，它不是利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范德华力（VanDerWa

5、alsForce）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右图所示，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。若以能量的角度来看，这种原子与原子之间的距离与彼此之间能量的大小也可从Lennard–Jones的公式中到另一种印证。从公式中知道，当r降低到某一程度时其能量为+E，也代表了在空间中

6、两个原子是相当接近且能量为正值，若假设r增加到某一程度时，其能量就会为-E同时也说明了空间中两个原子之间距离相当远的且能量为负值。不管从空间上去看两个原子之间的距离与其所导致的吸引力和斥力或是从当中能量的关系来看，原子力显微镜就是利用原子之间微妙的关系来把原子样子给呈现出来。σ：原子的直径r：原子之间的距离AFM工作过程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排斥力，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

7、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的形貌。获得样品表面形貌是通过检测微悬梁位置的变化而实现的。检测微悬梁位置变化的主要有：隧道电流法和激光检测法。AFM探针的针尖隧道电流法：是基于STM原理实现的。可将微悬梁看成样品，在微悬梁上还有一微小探针接触。微悬梁和探针间施、加一偏置电压，他们之间便产生了隧道电流。当微悬梁因为和样品间的原子间力的作用而位置发生改变，那么他和探针之间的位置也发生相应的变化，导致隧道电流发生指数级的变化，