原子力式显微镜AtomicForceMicroscopyAFM林士雄
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港中文理科大类-回复什么是原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）？原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）是一种高分辨率的显微镜。
它采用一个非接触探针来测量样品表面的原子力，从而获得微米甚至纳米级别的表面形貌。
AFM是由石原哲明于1986年发明的，其工作原理和光学显微镜等其他显微镜有所不同。
AFM的工作原理：AFM的工作原理基于离子之间的作用力。
在AFM中，一个微小的弹性探针锥被用来扫描样品表面，这个锥头的尺寸大约在纳米级别。
锥头与样品表面之间的非接触作用力产生一个反馈信号，该信号与锥头位置的变化相关。
然后，这个反馈信号被转换成图像，显示样品表面的形状和结构。
AFM的应用：由于其高分辨率和灵活性，AFM在各个领域的应用非常广泛。
以下是一些AFM的主要应用领域：1. 材料科学：AFM可以用来研究材料的表面粗糙度、形貌、纳米级别的结构等。
它在纳米材料开发和纳米器件制造方面扮演着重要角色。
2. 生物科学：AFM可以用来观察生物分子和细胞的形态和结构，例如蛋白质、DNA和细胞膜。
这些观察对于理解生物学过程、研究疾病机制和开发新药具有重要意义。
3. 界面科学：AFM可以用来研究液体-固体、气体-固体和液体-液体等界面的性质。
例如，在纳米电子器件的研发中，AFM被用来观察金属和半导体界面的原子层。
AFM的优势：与传统显微镜相比，AFM具有以下优势：1. 高分辨率：AFM可以提供比光学显微镜更高的分辨率，可以达到纳米级别的分辨率。
2. 非接触测量：AFM的测量是非接触的，因此不会对样品造成损伤。
3. 灵活性：AFM可以在不同环境下工作，如空气、液体和真空。
这使得它具有广泛的应用潜力。
AFM的局限性和挑战：尽管AFM具有许多优点，但也存在一些局限性和挑战：1. 速度：AFM扫描速度较慢，通常需要几分钟或更长时间来获取一个图像，这在某些应用中可能是不够高效的。
原子力显微镜的技术原理
原子力显微镜的技术原理原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是一种能够实现纳米级别观测和操作的仪器。
与光学显微镜和电子显微镜相比，AFM具备更高的分辨率和三维成像能力。
在材料科学、纳米技术、生物医学等领域都有广泛的应用。
原子力显微镜最早由美国物理学家Gerd Binning和Heinrich Rohrer在1986年发明。
该技术是在扫描探针显微镜(SPM)基础上发展而来，是通过探针探测样品表面的力信号进行成像的。
其原理就是利用微型机械弹性原理和扫描探针的运动，以纳米级别的分辨率扫描样品表面，最终得到高分辨率的三维成像。
技术基础原子力显微镜扫描探针的尺寸大约在1μm左右，采用的扫描方式是绝对定位。
探针的顶端有纳米级的金刚石或硅等材料，利用金刚石或硅的力学性质，达到在样品表面扫描、探测的目的。
探针和样品之间有一定的作用力作用，该力的大小与两者之间的距离有关。
通过监测探针上运动的荷兰德力信号(Piezo- electric effect)，就可以记录样品表面的形貌，得到高分辨率的三维像。
探针原理探针是原子力显微镜的核心部件，它采用的是针尖。
一般情况下，探针的弹簧常数在0.05-50N/mm之间，弹性系数通常为10^11-10^13N/m^2，其直径在10-50nm之间。
其中，尖端的直径大约只有数十纳米，由于它的尺寸太小，因此，其重量非常的轻，使得它能够对样品表面进行高精度性的探测。
探针扫描AFM采用扫描探针的方式来获取图像，探针会以极高的精度扫描样品表面，产生一个准确的3D的图像，从而获得样品表面的形态和形貌信息。
扫描模式AFM的扫描模式常用的有常规扫描（contact mode），非接触扫描（non-contact mode）和谐振扫描（tapping mode）。
常规扫描的原理是探针以与样品表面非常接近的方式进行扫描，当探针探测到样品时，探针会受到一定程度上的弹性变形，这个时候，扫描系统会测量探针的振动频率和幅度。
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。
浅谈原子力显微镜( AFM) 应用于纳米科学中的进展
浅谈原子力显微镜( AFM) 应用于纳米科学中的进展扫描探针显微镜( Scanning Probe Microscopy,SPM) 以其较强的原子和纳米尺度上的分析加工能力,在纳米科学技术的发展中占据极其重要的位置。
扫描探针显微镜是在扫描隧道显微镜( STM) 基础上发展起来的。
1982 年,德国物理学家GBinnig 和H Rohrer发明了具有原子级分辨率的扫描隧道显微镜( Scanning Tunneling Microscope,STM) ,它使人类第一次能够直观地看到物质表面上的单个原子及其排列状态,并深入研究其相关的物理化学性能。
因此,它对物理学、化学、材料科学、生命科学以及微电子技术等研究领域有着十分重大的意义和深远的影响。
STM 的发明被公认为20 世纪80 年代世界十大科技成果之一。
Binnig 和Rohrer 因此获得了1986 年诺贝尔物理学奖。
原子力显微镜是SPM 家族中最重要的成员之一。
1986 年Binnig 等人[4]为了弥补STM 不能对绝缘样品进行检测和操纵而发明了原子力显微镜( Atomic Force Microscopy,AFM) ,AFM 由于不需要在探针与样品间形成导电回路,突破了样品导电性的限制,因此使其在科研应用领域更加广阔。
1 AFM 的工作原理AFM 的工作原理分为探测系统和反馈系统两大部分。
探测系统包括探针用以感受样品的表面信息、激光系统用以收集探针上的信号,反馈系统的功能是控制探针的相对高度,以保证探针能够保持一定高度从而顺利探测到样品信息。
AFM 在扫描图像时,针尖与样品表面轻轻接触,而针尖尖端原子与样品表面原子间存在微弱的相互作用力,会使悬臂产生微小变化。
这种微小变化被检测出并用作反馈来保持力的恒定,就可以获得微悬臂对应于扫描各点的位置变化,从而获得样品表面形貌的图像。
AFM 的工作模式是以针尖与样品之间作用力的形式来区分主要有接触模式、非接触模式、轻敲模式三种工作模式。
原子力显微镜
原子力显微镜
原子力显微镜（atomic force microscope，简称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。
由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不足。
原子力显微镜是由IBM公司苏黎世研究中心的格尔德·宾宁与斯坦福大学的Calvin Quate于1985年所发明的，其目的是为了使非导体也可以采用类似扫描探针显微镜（SPM）的观测方法。
原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）最大的差别在于并非利用电子隧穿效应，而是检测原子之间的接触，原子键合，范德瓦耳斯力或卡西米尔效应等来呈现样品的表面特性。
1。
(AFM)原子力显微镜原理介绍
原子力显微镜(AFM)原理一、原理原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由IBM公司的Binnig与史丹佛大学的Quate于一九八五年所发明的，其目的是为了使非导体也可以采用扫描探针显微镜（SPM）进行观测。
图1、原子与原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离的不同而有所不同，其之间的能量表示也会不同。
原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）最大的差别在于并非利用电子隧道效应，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。
假设两个原子中，一个是在悬臂（cantilever）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“图1”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。
若以能量的角度来看，这种原子与原子之间的距离与彼此之间能量的大小也可从Lennard –Jones的公式中到另一种印证。
为原子的直径为原子之间的距离从公式中知道，当r降低到某一程度时其能量为+E，也代表了在空间中两个原子是相当接近且能量为正值，若假设r增加到某一程度时，其能量就会为-E同时也说明了空间中两个原子之间距离相当远的且能量为负值。
不管从空间上去看两个原子之间的距离与其所导致的吸引力和斥力或是从当中能量的关系来看，原子力显微镜就是利用原子之间那奇妙的关系来把原子样子给呈现出来，让微观的世界不再神秘。
在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间交互作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。
所以在原子力显微镜中也利用斥力与吸引力的方式发展出两种操作模式：（1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜（contact AFM），探针与试片的距离约数个Å。
原子力显微镜的原理
原子力显微镜的原理简介原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种高分辨率的显微镜，可以在原子尺度下观测到样品表面的形态和性质。
它是由瑞士物理学家高罗芙发明的，于1986年首次制成。
由于其高分辨率、准确性和大范围性能，AFM已成为实验室中非常常见的一种工具，用于研究物质的表面形貌和力学性质。
原理AFM的本质是利用了原子间力的作用。
原子之间存在相互之间的引力或排斥力，这种相互作用称为范德华力，这种力在成分间隔得很远时迅速减小并变成吸引力，在范围增加时，其值减小得更加缓慢。
离得更近时，原子间的作用力变得更强，呈现出排斥态。
在AFM中，探测器与样品之间存在范德华力作用，这种范德华力作用可以被高精度的步进电动马达所识别，并可通过计算机进行数据分析，用于实现对样品表面的成像。
组成AFM的核心部件有扫描探針、扫码器、光路系统和计算机系统。
•扫描探针：AFM的感应器，它是一个可移动的小杆状探针，尖端有一块非常小的金属或陶瓷探头。
探针的尖端非常细，只有几个原子的大小，它可以在距离样品很近的情况下扫描样品表面并感应样品表面的行为；•扫描器：探针的扫描由扫描器完成，扫描器是一个便携式机构，可以在三个坐标轴上移动扫描探针，从而可以扫描样品表面的成像；•光路系统：由于扫描器和扫描探针需要精确的控制，这对于光路系统的稳定性和宽带性提出了要求，光路系统提供灰度等级，并可以测量和控制扫描探针的移动；•计算机系统：计算机系统是AFM的大脑，可以控制扫描器进行单层（有机分子层）的扫描，并对样品表面进行高质量成像。
工作原理AFM工作原理的核心是掩护和感应，AFM的扫描头由探针操作，能在离样品表面非常近的地方进行扫描。
当扫描探头靠近样品表面时，原子之间的范德华力开始作用，并显示在探针上，然后计算机通过对范德华力的识别和测量，在样品表面创建出三维成像。
可以通过在输入量和输出量之间找到增益来解释样品表面的范德华力，因此AFM可以测量样品表面非常小的细节。
牛津仪器原子力显微镜中文说明书
牛津仪器原子力显微镜中文说明书第一章：概述牛津仪器原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种高分辨率的显微镜，它利用原子力和距离探测技术，能够对样品表面进行高精度的成像和测量。
AFM不同于传统的光学显微镜，它可以在纳米尺度下观察和研究样品的表面形貌和物理性质。
第二章：原理AFM的工作原理基于原子力相互作用和力探测技术。
通过将探针靠近样品表面，并测量探针与样品之间的相互作用力，可以得到样品表面的拓扑图像。
AFM的探测器通常采用悬臂梁或压电晶体，通过探针的弯曲或振动来检测相互作用力的变化。
第三章：仪器结构AFM主要由扫描单元、探针、力传感器、控制电路和图像处理系统等组成。
扫描单元负责探针在样品表面的扫描运动，探针则负责与样品表面相互作用。
力传感器用于测量探针与样品之间的相互作用力，控制电路则负责对传感器信号进行处理和控制。
图像处理系统用于将探测到的信号转化为样品表面的图像。
第四章：操作流程使用AFM时，首先需要将样品固定在扫描平台上，并调整扫描范围和扫描速度。
接下来，调节探针使其与样品表面接触，并通过力传感器调整扫描力。
随后，启动扫描单元，开始对样品表面进行扫描。
扫描完成后，通过图像处理系统可以获得样品表面的拓扑图像。
第五章：应用领域AFM广泛应用于纳米科学、材料科学、生物科学等领域。
在纳米科学中，AFM可以用于研究纳米材料的形貌和性质，如纳米颗粒、纳米管等。
在材料科学中，AFM可以用于表征材料的表面粗糙度、硬度等参数。
在生物科学中，AFM可以用于观察生物分子的结构和相互作用。
第六章：技术发展趋势随着纳米科学和纳米技术的发展，AFM也在不断演进和改进。
目前，已经出现了多种改进型AFM，如近场原子力显微镜（SNOM）和电势原子力显微镜（EFM）。
这些改进型AFM在分辨率、成像速度和功能方面都有所提升，进一步拓宽了AFM的应用范围。
结论牛津仪器原子力显微镜是一种高分辨率的显微镜，通过原子力相互作用和距离探测技术，可以对样品表面进行高精度的成像和测量。
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原子力式顯微鏡 Atomic Force Microscopy (AFM)
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設備 呈像原理 量測方式分類
設 備
(A)
(B)
(C)
呈像原理
atom atom atom atom
Expulsive force
Attractive force
• Force sensing part
• Position sensing part
• Feedback system
Position sensing part Feedback system
Force sensing part
Laser=a+b+c+d
VER=(a+b)-(c+d)
LAT=(a+c)-(b+d)
垂直信號的變化 即樣本的表面變化
水平信號的變化 即樣本的材質變化
Z X Y
Cantilever 擺動 的方向
Z
X Y
Cantilever 擺動 的方向
Mover
Mover
接觸式〈contact mode〉
非接觸式〈non contact mode〉
半接觸式〈tapping mode〉
數 據 種 類 區 分
等力模式(constant force mode) 等高模式(constant high mode) 誤差訊號模式(error signal mode)
垂直訊號 (a+b)(c+d) 雷射總量 (a+b+c+d)
a c b d
水平訊號 (a+c)(b+d)
探針與雷射調整