《原子力显微镜》PPT课件

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1、原子力显微镜第一代：光学显微镜16世纪末，荷兰人Janssen发明了第一台复式显微镜1665年，英国科学家罗伯特·胡克用他的显微镜发现了细胞1680年，列文虎克磨制的单片显微镜的放大倍数将近300倍第一代：光学显微镜列文虎克观察到的“小动物”罗伯特·虎克观察到的细胞第一代：光学显微镜相较于过去两个世纪，现在我们使用的普通光学显微镜基本上没有什么改进。原因：光学显微镜已经达到了分辨率的极限。对于使用可见光作为光源的显微镜，它的分辨率极限是0.2μm。任何小于0.2μm的结构都没法识别出来。提高显微镜分辨率的途径是设法减小光的波长，或者，用电子束来代替光。第二代：电子

2、显微镜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）扫描式电子显微镜SEM透射式电子显微镜TEM第二代：电子显微镜电子显微镜的分辨率可以达到纳米级1.样品处理过程复杂2.要在高真空的环境下操作第三代：扫描探针显微镜1983年，IBM公司两位科学家GerdBinnig和HeinrichRohrer发明了扫描隧道显微镜（STM），但只能测导体和部分半导体1985年，IBM公司Binning和Stanford大学的Quate研发

3、出了原子力显微镜（AFM），弥补了STM的不足STM基本原理隧道效应：量子力学认为，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。隧道电流随探针样品间距离减小而呈指数增加．要求样品导电性要好，所以只能测导体和部分半导体。AFM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作用来呈现样品的表面特性。吸引部分排斥部分Fpaird原子原子排斥力原子原子吸引力AFM基本原理（1）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

4、表面轻轻接触。（2）由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的力，会使悬臂产生微小的偏转。（3）通过检测出偏转量并作用反馈控制其排斥力的恒定，就可以获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图像。仪器构成力检测部分位置检测部分反馈电子系统压电扫描系统压电装置在X，Y，Z三个方向上精确控制样品或探针位置。目前构成扫描器的基质材料主要是钛锆酸铅制成的压电陶瓷材料．压电陶瓷有压电效应，即在加电压时有收缩特性，并且收缩的程度与所加电压成比例关系．压电陶瓷能将1mV~1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。压电扫描系统压电转换器——将机

5、械作用和电信号相互转换的物理器件力检测部分检测的力是原子与原子之间的范德华力该部分是由悬臂和悬臂末端的针尖组成．微悬臂是探测样品的直接工具，它的属性直接关系到仪器的精密度和使用范围。(1)极低的Z向弹性系数，其值为10-2~102N/m。这样的微悬臂将极其灵敏，能够检测出小于1nN的微小力。(2)足够高的固有频率（＞10kHz），使AFM扫描时可以跟随表面轮廓的起伏。(3)足够小的微悬臂：其长度必须在微米尺度才能符合要求。用光束偏转来测量悬臂的偏转时，其灵敏度反比于悬臂的长度。(4)足够高的侧向刚性、以便尽可能地克服由于水平方向摩擦力造成的信号干扰。力检测部分对微

6、悬臂性能的要求(1)理想针尖的顶端应该是单个原子，这样的针尖能够灵敏地感应出它与样品表面之间的相互作用力。(2)较高的纵横比，尽可能小的曲率半径。(3)高的机械柔软性，针尖扫描时，即使撞击到样品的表面也不会使针尖损坏。(4)高的弹性形变，可有效地限制针尖在样品表面上的作用力，从而减小对样品的损害，对柔软的生物样品特别有利。(5)稳定的结构。力检测部分对针尖性能的要求位置检测部分当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得微悬臂摆动，产生微小的偏转，位置检测系统就是检测该偏转量的大小。悬臂偏转的检测有四种方法：(1)电容测量法；(2)隧道电流检测法；(3)光学干涉测量法

7、；(4)光束偏转测量法；为了得到高分辨的AFM，对检测方式一方面要求具有纳米级的灵敏度，另一方面还要求检测时不应该对微悬臂产生任何附加的作用力，避免造成信号误差。电容测量法微悬臂作为构成平行平板电容器的一块平板之一，而另一块平板则平行地位于微悬臂上方。微悬臂的偏转值将通过测量该电容器的电容值的变化得到。它的垂直位移检测精度达到0.03nm。位置检测部分隧道电流检测法这种检测法在微悬臂的上方设有一个隧道电极，通过测量微悬臂与隧道电极之间隧道电流的变化就可以检测微悬臂的偏转。位置检测部分光学干涉测量法利用光学干涉的方法来探测微悬臂共振频率的位移(或偏振光的相移)及微悬

8、臂偏转的幅