实验七原子力显微镜

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1、实验七：原子力显微镜多模式成像技术与应用姓名：孟超学号：38092105一、实验目的：a）掌握原子力显微镜的工作原理及使用方法b）了解原子力显微镜的结构；了解原子力显微镜的多模式成像技术c）利用原了力显微镜来测虽行测样品纳米级的表面形貌二、实验原理：原了力显微镜依靠微悬臂探针和样品表而的作用力来成像，当探针在样品表而扫描至接近原子级间距时,探针尖端的原子与样品表面的原子ZI'可就会产牛极其微弱的相互作用力，而使微悬臂发生一定程度的弯曲。通过光电检测系统对微悬臂的偏转进行检测，测得其对应于扫描各点的位置变化,将信号进行放大等处理即得到原了Z间

2、力的微弱变化信号，进而获得样品的信息三、思考与讨论：a）原子力显微镜的主要功能是什么？其分辨率有何特点？原子力显微镜是集精密光学技术、精密机械、电子技术、信号处理技术、图像处理技术、自动控制技术和计算机技术于一身的系统，不仅能提供样品形貌的三维实空间信息，而且还能在介观尺度上对表面进行可按的局域加工并对加工产生的纳米结构进行各种研究：其分辨率已达纳米级别，冃前国际上先进的AFM分辨率己经达到0.03nmb）原子力显微镜适用分析哪些样品？AFM测罐对样品无特殊要求，可测蜃固体表面、吸附体系等。AFM应用主要包括三个方面：生物细胞的表面形态观测

3、；生物大分了的结构及其他性质的观测研究：生物分子Z间力谱曲线的观测。c）原子力显微镜儿种成像模式的特点？接触模式：优点：扫描速度快，是唯一能够获得“原子分辨率”图像的AFM垂直方向上冇明显变化的质硬样品，有时更适于用ContactMode扫描成像。缺点：横向力影响图像质量。在空气中，因为样品表而吸附液层的毛细作用，使针尖与样品之间的粘着力很人。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（如牛物样品，聚合体等）。非接触模式：优点：没有力作用于样品表面。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

4、导致针尖胶粘,具扌□描速度低丁TappingMode和ContactModeAFM。通常仅川丁•非常怕水的样晶，吸附液层必须薄，如呆A厚，针尖会陷入液层，引起反馈不稳，刮擦样iffio由于上述缺点，on-contactMode的使用受到限制。轻敲模式：优点：很好的消除了横向力的彫响。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ContactModeAFM的扫描速度慢。横向力显微镜（LFM）：横向力显微镜（LFM）是在原子力显微镜（AFM）表面形貌成像基础上发展的新技术之一。工作原理与接触模

5、式的原了力显微镜相似。当微悬臂在样品上方扌「I描时，由于针尖与样品表面的相互作用，导致悬臂摆动。其反映的是样品表面的形态，而在水平方向上所探测到的信号的变化，由丁•物质表面材料特性的不同，其摩擦系数也不同。四、前沿调研：（AFM在微纳加工中的应用）a）原子力显微镜的基本原理及其研究以光学显微镜、电了显微镜、扫描隧道显微镜为代表的一系列先进显微技术的出现与应用，为人类科技和社会进步做岀了巨大贡献。1986年，IBM公司的G.Binning和斯坦福大学的C.F.Quate及C.Gerber合作发明的原子力显微镜（AtomicForceMicro

6、scope.AFM）更是突出地显现了显微观测技术作为人类视觉感官功能的延仲与增强的重要性，它是在扫描隧道显微镜基础上为观察非导电物质经改进而发展起來的分子和原子级显微工貝。対比于现有的其它显微工具，原子力显微镜以其高分辨率、制样简单、操作易行等特点而备受关注,并己在牛命科学、材料科学等领域发挥了重人作用，极人地推动了纳米科技的发展，促使人类进入了纳米时代。国际上冇关AFM的研究和应用的文章层出不穷，并已经取得了辉煌的成就；辆也冇一些研究成果，但总体来说质量不高，这为我国低的AFM普及率和使用率不无关系；另外，目前在辆还未发现完整介绍AFM成

7、像原理、基本构成、工作模式、操作性能及仪器功能发展的文章出现。原了力显微镜的成像原理：AFM是用一端固定而另一端装有纳米级针尖的弹性微悬劈來检测样品农而形貌的。当样品在针尖下面扫描吋，同距离密切相关的针尖一样品相互作用就会引起微悬臂的形变。也就是说，微悬臂的形变是对样品TL尖相互作用的直接反映。通过检测微悬臂的形变产牛的弹性形变量AZ,就可以微悬臂的弹性系数k和函数式F=k-AZA接救岀样品一针尖间相互作用FoAFM利用照射在悬臂尖端的激光束的反射接收来攀沿微悬臂的形变。由于光杠杆作用原理，即使小于O.Olnm的微悬臂形变也可在光电检测器上

8、产生10nm左右的激光点位移，由此产生的电压变化对应曹微悬种的形变量，通过-•定的函数变换便可得到悬愕形变量的测量值。当样品在XY平面内扫描时（对某一点其坐标为［x,y］）,若保