原子力显微镜简介培训资料.ppt

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1、原子力显微镜AtomicForceMicroscope显微镜的发展史AFM的基本原理AFM的基本结构AFM的工作模式AFM的应用原子力显微镜(AFM)显微镜的发展历史光学显微镜19世纪末透射电子显微镜1938年扫描电子显微镜1952年扫描隧道显微镜1983年原子力显微镜1985年IBM公司的Binning和Stanford大学的Quate扫描探针显微镜原子力显微镜（AFM）是继扫描隧道显微镜（STM）之后发明的一种具有原子级高分辨率的新型仪器，典型AFM的侧向分辨率(x，y方向)可达到2nm，垂直分辨率(z方向)小

2、于0.1nm。可以在大气和液体环境下对各种材料和样品（金属、半导体、绝缘体）表面进行纳米区域的形貌探测，或者直接进行纳米操纵，对物体表面进行加工修饰。Bruker原子力显微镜（DimensionIconAFM）AFM现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研究，成为各种纳米相关学科研究的基本工具。AFM的基本原理AFM是在STM的基础上发展起来的。所不同的是，它不是利用电子隧道效应，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，一个是在探针尖端，另一个是在样本表面，随着它们之间

3、的距离发生变化，它们间的作用力也随之改变。原子力显微镜就是利用这种原子间距离和作用力的对应关系来把样品表面的原子形貌呈现出来。AFM的硬件结构组成AFM的构件主要有：1、探针系统2、扫描系统3、检测系统4、反馈系统1、探针系统探针组件是AFM的关键部分。由微悬臂和微悬臂末端的针尖组成。随着精细加工技术的发展，人们已经能制造出各种形状和特殊要求的针尖。微悬臂是由Si或Si3N4经光刻技术加工而成的．微悬臂的背面镀有一层金属以达到镜面反射。AFM探针的针尖2、扫描系统AFM对样品扫描的精确控制是靠扫描器来实现的。扫

4、描器中装有压电转换器，压电装置在X，Y，Z三个方向上精确控制样品或探针位置。目前构成扫描器的基质材料主要是由钛锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3]制成的压电陶瓷材料。压电陶瓷有压电效应，压电陶瓷能将1mV—1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。3、检测系统获得样品表面形貌是通过检测微悬臂位置的变化而实现的。检测微悬臂位置变化的主要方法有：激光反射检测法隧道电流检测法激光干涉检测法电容检测法激光反射检测法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

5、器。在扫描样品时，随着样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的作用力的变化，微悬臂将随样品表面形貌变化而上下起伏，反射光束也将随之偏移，将光斑位置转化为电信号后，再经计算机处理就能反映出样品表面的形貌。隧道电流检测法是基于STM原理实现的。将微悬臂背面与一微小STM探针接触，其间施加一偏置电压，它们之间便产生了隧道电流。在扫描样品时，微悬臂将随样品表面形貌变化而上下起伏，进而使其与STM探针的位置也发生相应的变化，导致隧道电流发生指数级的变化，那么测量原理就间接变成了STM的测量原理。4、反馈系统AFM反馈控制是由

6、计算机系统和电子线路共同完成的。AFM的运行是在高速、功能强大的计算机控制下来实现的。控制系统主要有两个功能：(1)提供控制压电转换器X-Y方向扫描的驱动电压；(2)在恒力模式下维持来自显微镜检测环路输入模拟信号在一恒定数值。电子线路系统起到计算机与扫描系统相连接的作用，电子线路为压电陶瓷管提供电压、接收位置敏感器件传来的信号，并构成控制针尖和样品之间距离的反馈系统。AFM的几种工作模式接触模式：微悬臂探针紧压样品表面，检测时与样品保持接触，作用力（斥力）通过微悬臂的变形进行测量。该模式下，针尖与样品表面相接触，

7、分辨率高，但成像时针尖对样品的作用力较大，适合表面结构稳定的样品。轻敲模式：用处于共振状态、上下振荡的微悬臂探针对样品表面进行扫描，样品表面起伏使微悬臂探针的振幅产生相应变化，从而得到样品的表面形貌。该模式下，针尖对样品进行“敲击”，两者间只有瞬间接触，能有效克服接触模式下针尖引起的相互损伤，适合于柔软或吸附样品的检测。相位移模式：该模式是轻敲模式的重要扩展技术，通过检测驱动微悬臂探针振动的信号源的相位角与微悬臂探针检测时实际振动的相位角之差（即两者的相移）的变化来成像。引起该相移的因素很多，如样品的组分、硬度、粘

8、弹性质等。因此可在纳米尺度上获得样品表面局域性质的丰富信息。AFM的工作环境原子力显微镜受工作环境限制较少，它可以在超高真空、气相、液相和电化学的环境下操作。(1)真空环境：真空环境可以避免大气中杂质和水膜的干扰，但其操作较复杂。(2)气相环境：气相环境中，AFM多受样品表面水膜干扰，但其操作比较容易，它是广泛采用的一种工作环境。它可以在空气中研究任何固体表