原子力显微镜AFM实验报告.doc

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1、原子力显微镜的应用和进展摘要：从原子力显微镜诞生以来，由于其在表面观测上的高分辨率以及对表面的要求较低，这项技术被广泛的应用于科研的各个领域，极大的促进了各学科的发展。由于这项技术的重要性，在其诞生之后就一直被改进以满足不同学科不同场合的需求。本文从具体原子力实验出发概述原子力显微镜的应用以及改进方案。关键词：原子力显微镜压电微悬臂敲击式AFM探针功能化1引言1996年Binning及其合作者在扫描隧道显微镜的基础上发明了AFM，它是利用原子、分子间的相互作用力(主要范德瓦尔斯力，价键力，表面张力，万有引力，以及静电力和磁力等)来观察物体表面微观形貌的新型实验技

2、术。在这项表面观测技术发明以来已经被各学科所采纳、改进，以适应不同学科不同工作环境的需求。比如在生物及医学研究中要求不能对活体细胞产生太大影响，要求力更小以免对膜有破坏作用，同时也要求原子力显微镜的扫描更快，更方便以适应更多学科对它的需求，最好能实现更好的自动化，同时最好能应用于不同的环境。但现在而言原子力显微镜对环境的要求还是很高的，所以对原子力显微镜的改进也是件十分有意义的工作。现在有的一个想法是对原子力显微镜的微悬臂进行改造，用压电微悬臂[4]替代，这样直接利用压电微悬臂收集数据以替代激光放大。另外，将原子力显微镜应用于生物和医学的研究，也提出了对探针进行

3、功能化[5]的要求。2原子力实验简介2.1实验原理AFM探针和测试样品表面原子相互靠近时会产生原子间相互作用力，这种力使连接探针的微悬臂发生形变，而通过激光检测器和反馈系统调整样品在z轴方向的位置，使得探针和样品间的作用力保持恒定，通过测量检测信号对应样品的扫描位置的变化，就可以得到测试样品表面形貌特征。通常原子力显微镜AFM有几种运行模式：在斥力或接触模式中，力的量级为1∽10ev/（或∽N）；在引力或非接触模式中，范德瓦耳斯力、交换力、静电力或磁力被检测。这些不能提供原子分辨率但可得到表面有关的重要信息。[1]对于原子力显微镜，通用的工作模式有接触（AFM）

4、和敲击式（tappingAFM）。在敲击模式中，一种恒定的驱使力使探针悬臂以一定的频率振动。当针尖刚接触样品时，悬臂振幅会减少到某一数值。在扫描过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒定，亦即作用在样品上的力恒定，通过记录压电陶瓷管的移动得到样品表面形貌图。对于接触模式，由于探针和样品间的相互作用力会引起微悬臂发生形变，也就是说微悬臂的形变作为样品和针尖相互作用力的直接度量。同上述轻敲式，反馈系统保持针尖—样品作用力恒定从而得到表面形貌图。原子力显微镜是用微小探针“摸索”样品表面来获得信息，所以测得的图像是样品最表面的形貌，而没有深度信息。扫描过程中，探针在选定

5、区域沿着样品表面逐行扫描[2]2.2AFM的结构[1][3]AFM的结构主要包括激光器单元、微悬臂单元、压电扫描单元和光电检测与反馈单元。如图（1）所示：图一AFM的组成部件2.2.1微悬臂微悬臂有矩形和三角形两种，微悬臂的力弹性常数介于0.1-lOON／m，即使探针与样品间零点几个纳牛顿(nN)的作用力均能够轻易被检测到。微悬臂的共振频率一般大于10kHz，目的是减小振动和声波的干扰。由于力弹性常数降低会使共振频率下降，如保持共振频率恒定的同时降低力弹性常数，就应减小微悬臂的质量，所以微悬臂的质量有越来越小的趋势。2.2.2探针AFM探针的材料通常为单晶硅(S

6、i)和氮化硅(SiN)，探针针尖的形状有方锥体、圆锥体或超级针尖。金字塔形探针曲率半径为5～10nm，氮化硅的曲率半径为20～60nm。超级AFM探针是在原AFM针尖上粘附碳纳米管，曲率半径为0．5～2nm，图像的分辨率更高。当样品尺寸与针尖曲率半径相当或更小时，会出现“加宽效应”，影响图像的准确度⋯。针尖越细长，扫描图像的质量越高，愈接近样品表面的真空形貌。图二AFM控制机箱及面板示意图2.2实验操作步骤[3](1)AFM仪器开机电源与控制机箱连接线等已无误，不需确认。依次打开计算机电源、机箱低压电源、高压电源、激光器电源等。(2)样品——探针进给样品进给提供

7、粗调和细调两种进给机构。先用粗调进给样品至约离探针１mm左右，再用细调机构，一边缓慢进给样品，一边观察PSD位置的光斑有变化，这时说明已接近进入反馈状态，接着观察反馈信号，更缓慢地进给样品，直至PSD信号显示为1.600左右，Ｚ反馈信号在-200～-300左右。注意这时不能再移动粗调和细调进给机构。接下来下面的操作让计算机控制系统自动调整和保持样品与探针之间的间距。(3)样品扫描运行计算计扫描程序，根据需要设置扫描参数。单次扫描时间设定约15s左右，进入扫描工作状态。(4)图象显示与存储扫描过程自动进行，图像以逐行显示的方式显示。在不改变扫描参数的情况下，扫描在

8、同一区域循环重复进行。也