原子力显微镜的原理与应用.ppt

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1、AFM的工作原理和应用姓名：赵慧旭学号：2120110242铂悦（上海）有限公司Multimode生物型原子力显微镜工作原理及仪器结构操作模式常见问题应用举例一、AFM的基本原理：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，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

2、信息。AFM原理图二极管激光器发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器。在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。在系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的距离始终保持在纳米量级，距离太大不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品。反馈回路在工作过程中，由探针得到探针-样品相互作用的强度，来改变加在样品扫描器的伸

3、缩，调节探针和被测样品间的距离，反过来控制探针-样品相互作用的强度，实现反馈控制。反馈控制是本系统的核心工作机制。以激光检测原子力显微镜AFM为例，来详细说明其工作原理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

4、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。原子之间的交互作用力二、操作模式原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间交互作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。原子力显微镜利用斥力与吸引力的方式发展出三种基本的操作模式： （1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜（contactAFM），探针与试片的距离约几个Å。（2）利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为非接触式原子力显微镜（non-contactAFM），探针与试片的距离约几十到几百个Å。（3

5、）敲击式AFM与非接触式AFM比较相似，但它比非接触式AFM有更近的样品与针尖距离．一种恒定的驱动力使探针悬臂以一定的频率振动(一般为几百千赫兹)。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（No

6、n-ContactMode）：优点：没有刮擦作用于样品表面。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。实际工作情况：实际的AFM工作时并没有让

7、探针保持在同一高度。因为如果样品表面太凹，探针离样品表面太远，原子间作用力就太微弱；而如果样品面太凸，探针离样品表面太近，探针就要划破样品。实际选择的方案是，让探针随凹凸不平的样品表面上下移动，始终保持固定的距离，即保持原子力的大小不变。在样品表面凹的地方，原子力小了，探针就下来一点，而在样品表面凸的地方，原子力大了点，探针上去一点。探针这样一上一下的移动其实也描绘了样品表面的大致轮廓。AFM利用了范德华力在小范围内可以看成与距离成正比这一特点来工作的。因为只有成正比，任何部分按同一比例放大，样品的面目才不会失真。至于选择在范德

8、华力的哪一范围工作，这倒不是原则性问题。实际应用中，根据不同的需要，原子力显微镜可以选择在斥力范围工作，也可以选择在吸引力范围工作。优点：一：不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM提供真正的三维表面图。二：AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理