原子力显微镜的原理及应用

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1、AtomicForceMicroscopy原子力显微镜（AFM）目录：AFM的发展历史AFM的原理AFM的分类AFM机器的组成影响AFM分辨率的因素AFM技术应用举例照片举例AFM的缺点高级显微镜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）至此，电子显微镜的分辨率达到纳米级1983年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家GerdBinnig和HeinrichRohrer发明

2、了扫描隧道显微镜（STM）应用电子的“隧道效应”这一原理，对导体或半导体进行观测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（quantumtunneling）。可见，宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然

3、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。AFM出现的意义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的不足返回成像原理ExpulsiveforceatomatomAttractiveforceatomatom恒定力量或者恒定高度探针如何成像表面形貌和材料如何测量返回XYZMover垂直信號的變化即樣本的表面變化Can

4、tilever擺動的方向XYZMoverCantilever擺動的方向水平信號的變化即樣本的材質變化AFM有多种工作模式1.接触模式（ContactMode）：作用力在斥力范围，力的量级为10－9∼10－8N，或1∼10eV/Å。可达到原子级分辨率。2.非接触模式（Non-ContactMode）：作用力在引力范围，包括范德华力、静电力或磁力等。3.轻敲模式（TappingMode）4.Interleave模式（InterleaveNormalMode/LiftMode）5.力调制模式（ForceModulatio

5、nMode）6.力曲线模式（ForceCurveMode）接触式原子力显微镜接触式AFM是一个排斥性的模式，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。由于是接触式扫描，在接触样品时可能会是样品表面弯曲。经过多次扫描后，针尖或者样品有钝化现象。特点：通常情况下，接触模式都可以产生稳定的、分辨率高的图像。但是这种模式不适用于研究生物大分子、低弹性模量样品以及容易移动和变形的样品。接触式（contactmode）非接触式原子力显微镜在非接触模式中，针尖

6、在样品表面的上方振动，始终不与样品接触，探测器检测的是范德华作用力和静电力等对成像样品没有破坏的长程作用力。需要使用较坚硬的悬臂（防止与样品接触）。所得到的信号更小，需要更灵敏的装置，这种模式虽然增加了显微镜的灵敏度，但当针尖和样品之间的距离较长时，分辨率要比接触模式和轻敲模式都低。特点：由于为非接触状态，对于研究柔软或有弹性的样品较佳，而且针尖或者样品表面不会有钝化效应，不过会有误判现象。这种模式的操作相对较难，通常不适用于在液体中成像，在生物中的应用也很少。非接触式（noncontactmode）间歇接触式原子

7、力显微镜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。当针尖与样品不接触时，微悬臂以最大振幅自由振荡。当针尖与样品表面接触时，尽管压电陶瓷片以同样的能量激发微悬臂振荡，但是空间阻碍作用使得微悬臂的振幅减小。反馈系统控制微悬臂的振幅恒定，针尖就跟随表面的起伏上下移动获得形貌信息。类似非接触式AFM，比非接触式更靠近样品表面。损害样品的可能性比接触式少（不用侧面力，摩擦或者拖拽）。轻敲模式的分辨率和接触模式一样好，而且由于接触时间非常短暂，针尖与样品的相互作用力很小，通常为1皮牛顿（pN

8、）～1纳牛顿（nN），剪切力引起的分辨率的降低和对样品的破坏几乎消失，所以适用于对生物大分子、聚合物等软样品进行成像研究。特点：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”。样品表面起伏较大的大型扫描比非接触式的更有效。间歇接触式（tappingmode）返回原子力显微镜的构成在原子力显微镜的系统中，可