AFM-原子力显微镜课件.ppt

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1、原子力显微镜AtomicForceMicroscope(AFM)透射电镜成像偏差原因球差：孔径角不同造成折射能力不同畸变：离轴距离的改变导致放大倍数的改变慧形差：旁轴射线与非旁轴射线成像场曲：磁场汇聚作用的差异色差：电子初速度不完全相同轴上色散：磁透镜非严格对称衍射差：类似光学显微镜由透镜导致的透射电镜的不足工作环境：必须要真空样品：直径3mm，厚度几十nm，制样复杂信号：不能对信号进行后处理图像：无色彩SEM的缺陷分辨率：分辨率受电子束斑直径限制，分辨率一般情况只能到10nm工作条件：必须在真空条件下测试样品：样品需要导电STM的优点具有极高的分辨率；得到的是实时的、真实的样品表面

2、的高分辨率图象；使用环境宽松；应用领域宽广；价格相对来讲较低。STM的缺陷只限于直接观测导体或半导体的表面结构；非导电材料须在其表面覆盖一层导电膜；当表面存在非单一电子态时，STM得到的是表面形貌和表面电子性质的综合结果。AFM发展概况1981年，BinnigG和Rohrer提出扫描隧道显微镜(STM)原理．并因此而获得1986年诺贝尔物理奖。STM的分辨能力达原子级，可以用来确定导电物质固体表面的原子结构和性质。l986年，BinnigG在扫描隧道显微镜基础上进一步提出了的原子力显微镜(AFM)。AFM可以测量绝缘体表面形貌，达到接近原子分辨水平，还可以测量表面原子间力，测量表面的

3、弹性、塑性、硬度、摩擦力等诸多性质。原子力显微镜（AFM）AFM的优点具有原子级高分辨率，即可以分辨出单个原子，且放大倍率连续可调（几百倍－上千倍）；与传统的电子显微镜，特别是与扫描电子显微镜相比，它具有非常高的横向分辨率（0.1-0.2nm）和纵向分辨率（0.01nm）。可实时地观测表面的三维立体图像，这种实时观测的性能可用于表面扩散等物理化学过程的监视、检测。可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可以将样品浸在水和其他溶液中，且不需要特别的制样技术。探测过程中对样品无损伤。可以对导体、半导体、绝缘体等多种样品成像，可用于各种表面膜的实时观测。不需要高真空的必要工作条件，且体积

4、小，成本低，性价比高，远远低于一般的扫描电镜。AFM的组成AFM成像原理原子力显微镜是一种通过研究样品表面力同距离关系而获得样品表面形貌信息的显微术。它不使用STM的金属探针，而使用一个尖端附有探针的极灵敏的弹簧壁来作为敏感元件，称之为微悬臂。将微悬臂的一端固定（对微弱力极敏感），另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触。针尖尖端原子与样品表面的原子间存在极其微弱的排斥力。随后可通过以下两种工作模式中的任何一种得到表面形貌有关的信息，然后经过计算机采集、处理，最后成像。两种工作模式：恒高模式（保持样品与探针间的距离不变，测量每一点作用力的大小）和恒力模式（保持样品和探针间作用力不

5、变，测量每一点高度的变化）。检测微悬臂弯曲的方法：1－隧道电流法；2－电容检测法；3－光学检测法（干涉法和光束反射法）选择检测方法的原则：检测方法本身对悬臂产生的作用力应该小到可以忽略的程度。光学检测法光束反射法－从激光器中发出的激光聚焦在微悬臂背面，从其表面反射。在进行样品扫描时，微悬臂弯曲δz，这一弯曲使反射的角度偏移2δz/l，l为微悬臂的长度（通常为100－200μm）。反射光束的偏移可用一灵敏光电二极管检测出来。干涉法―一个优点，即不要求微悬臂具有特别平滑的高反射性表面（对于使用细丝微悬臂的磁力显微镜和静力显微镜特别重要，应为细丝微悬臂不具有高反射性表面）。能检测出微悬臂0

6、.01nm幅度的弯曲AFM中的作用力两个紧密排列的原子或者分子之间的相互作用可用Lennard-Jones势能来表示。利用排斥力为敏感信号的接触式力显微镜（ContactAFM）利用吸引力为敏感信号的非接触式力显微镜（Non-contactAFM）。为了准确反应出针尖相对于样品表面微弱的力的变化，Cantilever和针尖的制备是十分关键的，是决定AFM灵敏度的核心，因此AFM仪器的发展过程实际上是Cantilever的不断改进的过程。Cantilever通常要满足以下条件：（1）较低的力的弹性系数；（2）高的力学共振频率；（3）高的横向刚性；（4）尽可能短的悬臂长度；（5）Cant

7、ilever需要配有镜面或者电极，使得能通过光学或者隧道电流方法检测其动态位移；（6）带有一个尽可能尖锐的针尖。力的传感元件称为Cantilever，力的变化均可以通过这个Cantilever被检测。原子级的高分辨率；宽松的测试条件；可以得到力学等众多信息。AFM观察的始终是样品的外部信息；样品固定；视野局限；AFM的优缺点AFM的应用AFM成像（形貌观察）力学性能测试电、磁性能测试加工、操纵云母表面结构AFM成像AFM像中，A和B位置是近乎等同的石墨表面