扫描探针显微技术之二原子力显微镜(AFM)技术
原子力显微镜(afm)的基本构成
原子力显微镜（afm）的基本构成原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种用来观察物质表面形貌的高精密显微镜。
它采用原子力探针技术，可以在几个纳米至几个微米的尺度范围内进行观测，并能提供非常高分辨率的表面形貌信息。
AFM的基本构成包括机械支撑系统、探针系统和控制系统。
下面将分别介绍其构成要素。
1.机械支撑系统：机械支撑系统是AFM的重要组成部分，用于稳定和保持探针与样品之间的相对位置。
它通常由几个关键部件组成：-扫描装置：扫描装置用于水平移动样品或探针，以实现对样品表面的扫描。
扫描装置由X、Y、Z三个方向上的驱动器组成，可实现物理、电机或压电驱动。
-压电陶瓷：压电陶瓷在AFM中用于控制探针的位置和微小位移。
当施加电压时，压电陶瓷会发生形变，从而移动探针的位置。
-悬臂杆：悬臂杆作为一种机械支撑装置，用于支撑和稳定探针的位置。
悬臂杆通常由弹性材料制成，如硅或硅质材料。
2.探针系统：探针系统是AFM的核心部件，用于接触和测量样品表面的形貌。
探针系统通常由两个主要组件组成：-探针：探针是AFM中与样品直接接触并进行测量的部分。
它通常由硅制成，并在其一侧附着探针尖端。
探针尖端具有非常小的尺寸，在几纳米至几十纳米之间。
-接收器：接收器用于接收探针与样品之间的相互作用力。
它通常由光学或电子传感器组成，可测量探针的位移，并将其转换为电信号。
3.控制系统：控制系统用于控制和测量AFM的各种参数，以提供准确的表面形貌信息。
它通常由几个关键组件组成：-仪器控制器：仪器控制器用于控制AFM的各种操作，如扫描速度、力量控制等。
它具有一个用户界面，可以通过操作界面进行参数设置和图像显示。
-数据采集卡：数据采集卡用于接收和记录探针接触样品时的力信号，并将其转换为数字信号。
这些数据可以被后续分析软件用于生成图像和数据处理。
-反馈系统：反馈系统用于监测和控制探针与样品之间的相互作用力。
它通过比较实际测量力和设定的参考力，并调整探针位置和扫描速度，以保持探针与样品之间的相对位置不变。
原子力显微镜原理介绍
原子力显微镜原理介绍原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种利用原子力相互作用的显微镜，可以在原子尺度上对样品表面进行高分辨率的成像。
AFM具有高分辨率、高灵敏度、无需对样品进行特殊处理等优点，被广泛应用于材料科学、生物科学等领域。
AFM的原理基于力电荷耦合作用。
当扫描探针和样品表面之间存在距离时，由于它们之间的静电力、范德华力及表面张力等作用，会使探针弯曲。
AFM通过在探针上施加压电力来对探针进行调节，使与样品表面的相互作用力保持恒定，从而测量得到探针的形变信息。
通过对形变信息的处理，可以得到样品表面的三维拓扑图像。
AFM的核心组成部分是扫描探头和力传感器。
扫描探头通常由一个尖端和一段弯曲的弹簧杆组成。
尖端的大小一般在纳米尺度，可以用于成像不同大小和形状的样品。
弹簧杆的弯曲情况则是通过力传感器来测量的。
在AFM操作过程中，首先将样品固定在一个大型可移动的扫描平台上。
然后，将扫描探头靠近样品表面，使其与样品之间的距离保持在1-10纳米的量级范围内。
通过扫描平台的控制，可以使探针在样品表面上进行扫描。
当探针在样品表面上移动时，它所受到的相互作用力会随着扫描位置的改变而改变。
根据探针的形变，可以准确测量样品表面的高程和形貌信息。
AFM可以通过不同的模式进行操作，常见的模式包括接触模式、非接触模式和振动模式等。
接触模式是最常用的模式，通过将探针与样品表面保持接触，测量形变信息。
非接触模式则是通过探针与样品表面之间的范德华力进行作用，避免了对样品的破坏。
振动模式则是通过控制探针的共振频率来得到形变信息。
AFM不仅可以提供样品表面形貌信息，还可以测量样品的力学性质。
通过改变探针与样品表面之间的相互作用力的大小和方向，可以测量样品的硬度、弹性模量等力学参数。
总之，原子力显微镜是一种利用原子力相互作用实现高分辨率成像的显微镜。
通过测量探针的形变信息，可以获得样品表面的三维拓扑图像和力学性质。
原子力显微镜(AFM)原理及应用讲解
10 AFM的其他应用
利用AFM可以对样品进行表面原子搬运，原子蚀刻，从而制造纳米器件。
3 AFM工作原理
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（Van Der Waals Force）作用来呈现样品的表面特性。
假设两个原子一个是在悬臂的探针尖
端，另一个是在样本的表面，它们之间的作 用力会随距离的改变而变化，其作用力与距 离的关系如右图所示，当原子与原子很接近 时，彼此电子云斥力的作用大于原子核与电 子云之间的吸引力作用，所以整个合力表现 为斥力的作用，反之若两原子分开有一定距 离时，其电子云斥力的作用小于彼此原子核 与电子云之间的吸引力作用，故整个合力表 现为引力的作用。
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，可以用 来测量任何样品（无论导电 性与否）的表面。
2 AFM的结构简图
AFM针尖 AFM利用一个对微弱力极敏感的、在其一端带有一微小针尖的微悬臂，来代替STM 隧道针尖，通过探测针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的（右上图）。
• 位置检测部分：
在AFM的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之 后，会使得悬臂摆动，所以当激光照射在悬臂的末端 时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变， 这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光 斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以 供SPM控制器作信号处理。
• 反馈系统：
• 试样的厚度，包括试样台的厚度，最大为10 mm。如果试样过重， 有时会影响Scanner的动作，请不要放过重的试样。试样的大小以不 大于试样台的大小（直径20 mm）为大致的标准。稍微大一点也没问 题。但是，最大值约为40 mm。如果未固定好就进行测量可能产生移 位。请固定好后再测定。
原子力显微镜技术的原理与应用
原子力显微镜技术的原理与应用原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种扫描探针显微镜。
它可以利用细针探头扫描物体表面，通过测量探针与物体表面间产生的微小力的变化，获得物体表面的结构和形貌信息。
AFM可以提供比传统光学显微镜高出数个数量级的空间分辨率，并且可以使用在广泛的材料科学领域。
AFM的原理是通过测量探头与被测物表面产生的原子力来获取表面的拓扑信息。
所谓原子力即是在纳米尺度下物理相互作用力的结果。
在扫描物体表面时，AFM探头会因为被测物体表面的起伏产生不同的压力变化，进而引起探头弹性的变化。
这种弹性变化就是AFM所探测到的力信号。
通过探头和被测物表面之间的距离变化，测量出力信号，再利用计算机数值分析技术，即可获得物体表面的结构和形貌信息。
AFM可以实现高空间分辨率的成像，可达到亚纳米级别，甚至可以达到原子级别。
这使得AFM成为实验室中最强大的表面分析工具之一。
AFM在材料科学、物理化学、生物医学、环境科学等方面都有广泛应用。
在材料科学领域，AFM技术广泛应用于材料的表面形貌和表面结构的研究。
通过AFM技术可以获得微小的表面形貌和结构，对材料的物理和化学性质进行深入了解。
因此，AFM是新材料的研究和设计中不可或缺的工具。
在物理化学领域，AFM技术也有广泛应用。
例如，在纳米材料领域，AFM被用于研究纳米级别颗粒的相互作用和表面重构。
同时，由于AFM可以探测到原子尺度的相互作用力，它已成为原子和分子间相互作用力测量的有效工具。
在生物医学领域，AFM技术也有广泛应用。
通过AFM可以直接对活细胞的构造和纳米级别的结构进行研究，从而深入了解细胞膜、蛋白质、核酸分子等生命体的结构和功能，为生物医学的研究提供了更有力的工具和方法。
在环境科学领域，AFM技术已成为一种有效的环境污染监测手段。
例如，AFM被用于评估沉积颗粒的大小分布和形态特征，从而更好地了解污染物质在环境中的分布和传播情况。
原子力显微镜(afm)的基本构成
原子力显微镜（afm）的基本构成原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种测量样品表面形貌和力学性质的仪器。
它是在20世纪80年代末发展起来的一种非接触式表面探测技术。
AFM可以在几个纳米至亚纳米尺度范围内进行表面测量，可用于对样品的形貌、磁性、电导率等性质进行研究。
下面将介绍AFM的基本构成。
1.扫描压电陶瓷动力系统：该系统由扫描器和压电陶瓷驱动器组成。
扫描器通常由三个方向的压电陶瓷构成，通过改变瓷片的形变来实现样品表面的扫描。
压电陶瓷驱动器则负责产生电压信号，控制扫描器的移动。
这个系统的精度决定了扫描和测量的精度。
2.悬臂梁/探针：AFM的探测部分由一个非常尖锐的探针组成。
探针的尖端通常是金或硅制成，其尺寸可以从几纳米到亚纳米。
悬臂梁/探针连接到悬臂支撑系统，其作用是传递扫描过程中对样品表面的力信号。
3.光学探测系统：AFM使用光学技术来获取样品的形貌信息。
光学系统通常包括激光光源、光学透镜和位移检测器。
激光光源发出一束光束，照射到悬臂梁上，并反射到位移检测器上。
位移检测器测量悬臂的挠度，并将其转换为电信号。
4.反馈系统与力曲线：AFM通过一个反馈系统来实现对扫描过程中的力信号的控制。
反馈系统会监测探针受到的力，将其与设定的力进行比较并进行调整，以保持恒定的力作用在探针上。
此外，反馈系统还会记录力曲线，即探针所受到的力与其在样品表面扫描位置之间的关系。
5.控制和数据分析系统：AFM的控制系统通过电脑来实现。
该系统控制扫描器的移动和力信号的获取，并根据获取的数据进行分析和处理。
用户可以通过电脑软件来控制AFM仪器的各种参数，并进行样品表面的三维成像、力谱分析等。
除了以上基本构成外，AFM还可以根据研究需求配备不同的显微镜头，以扩展其应用范围。
常见的显微镜头包括原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）、磁力显微镜（Magnetic Force Microscope，简称MFM）、电导率显微镜（Conductive Atomic Force Microscope，简称C-AFM）等。
扫描电子显微镜(SEM)与原子力显微镜(AFM)
AFM图像
AFM技术可得到样品表面形貌结构的三维图像，并能测 量样品的三维信息，如左图，可准确地测出两个位置的高度 差。 由于AFM图像的纵向分辨率小于0. 01 nm,它能区分原子 级表面变化，可计算出样品表面的粗糙度，如右图，但是， 在原子级表面，SEM技术非常难检测样品表面细微的高度变 化。
SEM技术的图像，扫描范围较大，可达数mm× mm，具 有较大的景深，可达数微米。 AFM技术的最大扫描范围100μm× 100μm，景深仅为数 微米。
在较大扫描范围(μm或mm级)，SEM的图像质量优于AFM；而在进 行小范围扫描时，尤其是nm级的扫描范围，AFM的图像明显优于SEM。
SEM图像
AFM利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样 品原子之间的作用力，从而达到检测的目的，具有原子级 的分辨率。横向分辨率和纵向分辨率可达到0. 1 nm和0. 01 nm，即可以分辨出单个原子。 AFM的样品制备非常简单，一般直接将样品放在AFM 的载体上。 AFM可以测量样品表面的硬度、粗糙度，磁场力，电 场力，温度分布和材料表面组成等样品的物理特性。 AFM能在近生理条件下(空气中或液体中)或生理条件下 直接成像，以分子或亚分子分辨率得到生物分子及样品表 面的三维图象。解决了用SEM观察细胞时样品的变形和损 伤问题。
扫描电子显微镜（SEM）与原子力显微镜()
SEM通过探测样品表面激发出的二次电子、背散射 电子等信号得到样品表面的图像。 SEM要求样品导电，对于非导电或导电性较差的样 品，则要先对样品进行镀膜处理，在样品表面形成一层 导电膜，以避免电荷积累，影响图象质量。 对于含有水分的样品，如生物样品，要经过固定， 脱水，干燥，喷金(银)等环节，保证样品导电性能良好。 对磁性试样要预先去磁，以免观察时电子束受到磁 场的影响。 同时，SEM要求在真空条件下观察成像，部分样品 无法在其自然状态下观察，如生物样品在制样或扫描过 程中将受到损伤或杀死。
afm的原理及应用
AFM的原理及应用1. 原理介绍原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种高分辨率的表面显微镜，它利用探针与样品表面之间的相互作用力来获取表面的形貌和力学性质。
AFM基于扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy，SPM）的原理，通过在纳米尺度上运动和感测探针与样品之间的相对运动，实现对样品表面的观测和测量。
AFM的工作原理可简述为：在AFM扫描过程中，探针通常由细尖部分和弹性探针杆组成。
通过控制探针与样品之间的相互作用力，从而感知探针的纵向位移，并进一步确定样品表面的形状特征。
AFM的三个基本测量模式包括接触模式、非接触模式和静电模式。
在接触模式下，探针与样品表面保持接触；在非接触模式下，探针与样品之间保持较小的相互作用力；而在静电模式下，探针通过测量静电相互作用力来获取样品表面信息。
2. 应用领域2.1 表面形貌观测AFM是一种非常有用的工具，可用于观察样品表面的形貌。
由于AFM的高分辨率和高灵敏度，它可以显示出样品表面的纳米级别的细微结构。
因此，在材料科学、纳米技术等领域，AFM被广泛应用于表面形貌的观测和分析。
2.2 力学性质测量AFM可测量样品表面的力学性质，如硬度、弹性模量等。
通过在探针尖端施加力量，AFM可以获得相应的力变形曲线，从而计算出样品的力学性质。
这种力变形曲线可以用来研究纳米材料的力学行为，对于材料本质的研究具有重要意义。
2.3 生物分子观测由于AFM可以在液体环境中工作，它在生物领域也得到广泛应用。
AFM可以用于观测生物分子的结构和形态，并研究其相互作用力。
这对于生物学研究和生物医学领域的应用有着重要意义，例如蛋白质的形状和功能研究、生物体表面的结构观察等。
2.4 电子学器件研究对于电子学器件的研究，AFM可以提供非常有价值的信息。
例如，在集成电路领域，使用AFM可以观测杂质、缺陷和界面的形态和特征，从而帮助改进电子器件的制造工艺和性能。
原子力显微镜的技术原理及运用
原子力显微镜的技术原理及运用原子力显微镜（AFM）是利用扫描探针对样品表面进行扫描和探测的一种高分辨率的显微镜。
其分辨率可以达到纳米级别，因此被广泛应用于表面形貌、力学性质、磁性质和电性质的研究。
本文将详细介绍AFM的技术原理和运用。
一、技术原理AFM的探针是由弹性力常数极高的硅制成的，探针端面有一个纳米级的监测针头。
在扫描的过程中，探针在样品表面扫过，针尖的与样品之间的相互作用力会引起探针振动，从而可以探测到样品表面的形貌和性质。
AFM可以实时反馈探针与样品之间的相互作用力，在扫描过程中反馈控制该力，以维持探针与样品之间的接触力相等，因此可以获得样品表面的形态图像。
AFM的扫描分为接触模式和非接触模式。
接触模式是探针与样品之间保持接触状态下进行的扫描，此时探针与样品相互作用的力包含弹性力、粘附力和表面张力等多种力量；而非接触模式是探针与样品之间不保持接触状态下进行的扫描，此时探针与样品之间的相互作用力主要包括范德华力和静电吸引力等。
非接触模式的分辨率更高，但接触模式对于表面粗糙度较大的样品更加适用。
二、运用领域1. 表面形貌研究AFM可以用于表面形貌研究，对于材料的微观结构和形态特征进行分析和研究。
通过对样品表面形貌的扫描和观察，可以获得微观结构的信息，如表面形态、颗粒尺寸、表面缺陷、薄膜厚度等。
2. 表面力学性质研究AFM可以测量样品的弹性模量、硬度和黏性等力学性质，通过观察扫描数据，可以对不同结构材料的力学性质进行研究。
3. 表面磁性质研究AFM可以测量样品表面的磁力学性质，如磁滞回线、磁域结构、磁畴壁等。
通过对样品进行磁化，再通过AFM实时观测其磁性变化，并测量样品的磁场分布等参数，可以对材料表面的磁性进行研究。
4. 表面电学性质研究AFM可以测量样品表面的电学性质，如电荷分布、电势分布等。
通过把AFM的探针改为电极，可以进行电学物性和电化学反应的研究。
三、未来发展目前，AFM已被广泛应用于物理学、材料科学、生物医药等领域，但是仍然存在一些问题，如成像效率、分辨率和可靠性等方面的不足。
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原子 原子
吸引部分
原子 排斥力
原子
d 吸引力
原子间的作用力 精品文档
photo detector
微悬臂
laser diode
激光二极管
光电检测器
cantilever
sample
scanner
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基本原理
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基本原理
AFM信号反馈模式
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微悬臂位移量的检测方式
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仪器构成
压电扫描系统 力检测部分 光学检测部分 反馈电子系统 计算机控制系统
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工作模式-非接触模式
d: 5~20nm 振幅：2nm～5nm
van der Waals force curve
范德华吸引力
相互作用力是范德华吸引力，远小于排斥力. 微悬臂以共振频率振荡，通过控制微悬臂振幅恒定 来获得样品表面信息的。
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工作模式-非接触模式
优点：对样品无损伤
缺点： 1）分辨率要比接触式的低。 2）气体的表面压吸附到样品表面，造成图像
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AFM技术的主要特点:
优点: 制样相对简单,多数情况下对样品不破坏. 具有高分辨率，三维立体的成像能力， 可同时得到尽可能多的信息. 操作简单,对附属设备要求低.
缺点: 对试样仍有较高要求,特别是平整度. 实验结果对针尖有较高的依赖性(针尖效应). 仍然属于表面表征技术,需和其他测试手段结合.
聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物的苯溶液在ＬＢ膜 槽内分散,而后在极低的表面压下(<0.1ｍＮ/ｍ)将分子沉 积在新鲜云母表面。
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AFM在聚合物膜研究中的应用
1 表面整体形态研究 2 孔径(分布),粒度（分布）研究 3 粗糙度研究
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1 表面整体形态研究
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2 孔径(分布),粒度（分布）研究
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工作模式
接触模式 (contact mode) 非接触模式 (non-contact mode) 轻敲模式 (tapping / intermittent contact mode)
van der Waals force curve
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工作模式-接触模式
d ＜０.０３nm
van der Waals force curve
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高分子领域的应用
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聚合物膜表面形貌与相分离观察
Kajiyama等人应用AFM研究了单分散聚苯乙烯 (PS)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混成膜的相分离情 况。
膜较厚时(25μｍ), 看不到分相。膜厚100nｍ时,可 以得到PMMA呈岛状分布在PS中的AFM图象。
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聚合物膜表面形貌与相分离观察
Atomic force microscopy (AFM)
Lateral Force Microscopy (LFM) Magnetic Force Microscopy (MFM) Electrostatic Force Microscopy (EFM) Chemical Force Microscopy (CFM) Near Field Scanning Optical Microscopy
对非晶态聚合物膜,形貌图信息较为有限。AFM“相 成像”方式 (phase imaging)得到的数据与样品表 面硬度和粘弹性有关，可以观察相分离．即使在样品 表面相对“平坦”的情况下,也能较好地反映出聚合物 的相分离后,不同类型聚合物的所在区域。
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高分子结晶形态观察
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非晶态单链高分子结构观察
数据不稳定和对样品的破坏。
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工作模式-轻敲模式
振幅：5nm ～100nm
van der Waals force curve
介于接触模式和非接触模式之间: 其特点是扫描过程中微悬臂也是振荡的并具有比非 接触模式更大的振幅(5~100nm)，针尖在振荡-轻敲模式
(N精S品O文档M)
基本原理
1986，IBM，葛·宾尼（G. Binnig）发明了原子 力显微镜(Atomic Force Microscope ,AFM)——新 一代表面观测仪器．
原理：利用原子之间的范德华力（Van Der Waals
Force）作用来呈现样品的表面特性
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基本原理
F pair 排斥部分
特点： 1）分辨率几乎同接触模式一样好； 2）接触非常短暂，因此剪切力引起的对 样品的破坏几乎完全消失；
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工作模式-轻敲模式
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相位成像(phase imaging)技术 通过轻敲模式扫描过程中振动微悬臂的相位变化 来检测表面组分,粘附性,摩擦,粘弹性和其他性质 的变化.
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基本原理
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基本原理
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基本原理 原子力显微镜之解析度
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基本原理
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基本原理
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基本原理
氮化硅精品探文档 针针尖放大图
基本原理
针尖技术
为克服“加宽效应”：
➢单碳纳米壁管
一方面可发展制造尖端更尖的探针技直术径，0. 7～5 nm
另一方面对标准探针进行修饰也可提高图像质量。
针尖始终向样品接触并简单地在表面上移动， 针尖—样品间的相互作用力是互相接触原于的电子 间存在的库仑排斥力，其大小通常为10－8 —10－11N。
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工作模式-接触模式
优点：可产生稳定、高分辨图像。 缺点：
可能使样品产生相当大的变形，对柔 软的样品造成破坏，以及破坏探针，严 重影响AFM成像质量。
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Section analysis of TM-AFM image.
原子力显微镜 Atomic Force Microscopy
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主要内容
发展历史 基本原理 应用
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扫描探针显微镜SPM
SPM是指在STM基础上发展起来的一大类显微 镜，通过探测极小探针与表面之间的物理作用量如 光、电、磁、力等的大小而获得表面信息。
scanning tunneling Microscopy (STM， 1982)
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主要内容
发展历史 工作原理 应用
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原子力显微镜的应用
➢金属 ➢半导体材料 ➢化学 ➢纳米材料 ➢生命科学 ➢微加工技术 ➢……
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❖ 生物和生命科学
用AFM观察DNA双螺旋结构
精品文档
❖ 生物和生命科学
用AFM观察细胞生长
精品文档
❖ 微电子科学和技术
用AFM观察集成电路的线路刻蚀情况