原子力显微镜ppt课件
合集下载
《原子力显微镜》课件
未来发展趋势
未来，原子力显微镜技术将进一步提高分辨率和扫 描速度，并应用于更多领域。
七、参考文献
1 相关学术论文
1. Title 1 2. Title 2 3. Title 3
2 专业书籍
1. Title A 2. Title B 3. Title C
二、工作原理
探针的作用
原子力显微镜使用微小的探针探测物质表面，获得原子级别的高分辨率图像。
检测原理
通过探测器记录探针的弯曲变化，从而推断物体表面的高度和形貌。
显示方法
利用电子信号将探测到的数据转化为高清图像，可实时显示。
三、应用领域
表面形貌和结构分析
原子力显微镜可用于观察材料 表面的形貌和结构，帮助研究 纳米级别的材料。
《原子力显微镜》PPT课 件
本课件将介绍原子力显微镜的工作原理、应用领域和优缺点分析，以及操作 和维护的常见问题解答。
一、前言
什么是原子力显微镜
原子力显微镜是一种高分辨率的显微镜，能够 观测到物质的原子尺度细节。
发展历史
原子力显微镜于1986年由Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明，获得了诺贝尔奖。
原子力显微镜的分辨率可达到纳米级别，扫描范围取决于探针的尺寸和扫描区域。
如何正确操作原子力显微镜
正确操作原子力显微镜需要进行样品制备、参数设置和扫描操作等步骤。
原力显微镜的维护
维护原子力显微镜需要保持清洁，及时更换探针并进行校准。
六、结论
原子力显微镜对科学研究的重要性
原子力显微镜在纳米级别材料研究和生物学研究中 发挥着重要作用。
纳米尺度材料表征
该技术可用于研究纳米颗粒、 纳米管和纳米线等纳米材料的 特性。
原子力显微镜课件PPT
物理吸附
亲水
疏水
2021/3/10
22
2. 毛细力及其对AFM测量的影响
Fa2Rh/r
在R = 50～100 nm，相对湿度在40～80％ 时，毛细力大约在几十nN数量级。
3. 液体中针尖－试件间的相互作用力
探针和试件都浸入液体内进行测量 时，可以完全消除毛细现象，因此可不受 毛细力的干扰，使测量时的作用力大大减 小，而且可以：
z
1
ki kc
h
故在恒力测量模式时，测出的试件廓形高低, 大于 真实的高低，即测量结果在垂直方向有放大作用， 造成测量廓形的误差
3)在AFM测量时, 针尖的预置力越大，纵向测量结果的放大作用也越大，即纵 向畸变也增大。为减小测量误差，应尽量采用小的针尖预置力。
4) AFM测量结果的纵向放大量（畸变）和微悬臂的刚度有关。在采用等间隙 测量模式时，从式中可看，采用刚度kc较低的微悬臂较为有利，可以减小纵 向测量误差。但如采用恒力测量模式时，为减小纵向测量误差, 应采用刚度较 高的微悬臂，这和采用等间隙测量模式时正好相矛盾。因此可知，微悬臂刚 度的选择和AFM的测量模式有关。
2021/3/10
27
3. 探针尖曲率半径对测量结果的影响
使 用 商 品 的 Si3N4 四 棱 锥 探 针 尖 检 测所获得的聚酰亚胺薄膜AFM图像
使用ZnO晶须作探针尖检测，所获 的聚酰亚胺薄膜AFM图像
3）AFM测量时利用的相互作用力 在接触测量时，检测的是它们间的相互排斥力； 在非接触测量时，检测的是它们间的相互吸引力
4）针尖－试件间其他作用力及其应用于各种扫描力显微镜
针尖－试件间相互作用的磁力，可制成检测材料磁性能的磁力显微镜(MFM)； 针尖－试件间相互作用的静电力，可制成检测材料表面电场电势的静电力显微镜 (EFM)； 探针－试件接触滑行时的摩擦力，可制成研究材料摩擦磨损行为的摩擦力显微镜 (FFM)；
扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术ppt课件
Atomic force microscopy (AFM)
Lateral Force Microscopy (LFM)
Magnetic Force Microscopy (MFM)
Electrostatic Force Microscopy (EFM)
Chemical Force Microscopy (C学检测部分 反馈电子系统 计算机控制系统
10
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
Near Field Scanning Optical Microscopy
(NSOM)
3
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
52
原子力显微镜 Atomic Force Microscopy
1
主要内容
发展历史 基本原理 应用
2
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)
11
工作模式-接触模式
d ＜０.０３nm
van der Waals force curve
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。
Lateral Force Microscopy (LFM)
Magnetic Force Microscopy (MFM)
Electrostatic Force Microscopy (EFM)
Chemical Force Microscopy (C学检测部分 反馈电子系统 计算机控制系统
10
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
Near Field Scanning Optical Microscopy
(NSOM)
3
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
52
原子力显微镜 Atomic Force Microscopy
1
主要内容
发展历史 基本原理 应用
2
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)
11
工作模式-接触模式
d ＜０.０３nm
van der Waals force curve
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。
原子力显微镜的原理及应用46页PPT
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
原子力显微镜的原理及应用
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
谢谢！
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
原子力显微镜的原理及应用
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
AFM-原子力显微镜PPT课件
1.只限于直接观测导体或半导体的表面结构； 2.非导电材料须在其表面覆盖一层导电膜； 3.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。
6
7
AFM发展概况
• 1981年，Binnig G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。
10
11
AFM的组成
12
13
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。
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）Cantilever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。
32
33
34
35
36
37
➢ 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。
面形貌和表面电子性质的综合结果。
6
7
AFM发展概况
• 1981年，Binnig G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。
10
11
AFM的组成
12
13
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。
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）Cantilever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。
32
33
34
35
36
37
➢ 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。
原子力显微镜简介PPT课件
2.磁力显微镜(Magnetic Force microscopy，MFM)
3.静电力显微镜(Eelectrostatic Force microscopy，EFM)
4.化学力显微镜(Chemical Force microscopy，CFM)
5.力调置显微镜(Force modulation microscopy，FMM)
2021
6
AFM探针的针尖
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。
2021
7
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。
显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。 这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组 织。
2021
14
AFM的缺点
扫描范围较小（10nm到100μm），成像范围 小，容易将局部的、特殊的结果当作整体的结果 而分析，以及使实验结果缺乏重现性。
由于分辨率很高，使得在样品制备过程中产生 的或者是从背景噪音中产生的极小赝像都能够被 检测、观察到，产生赝像。
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：
原子力显微镜ppt课件
1986年，徳裔物理学家G.Binnig等人原子力显微镜进行了改良，开 始使用微悬臂梁作为探针。
1988年，国外开始对原子力显微镜进行改进，激光检测原子力显微镜。 1989年，白春礼等人研制出了我国第一台原子力显微镜，并跻身于国
际先进行列。
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
原子力显微镜在研究分子识别中的应用
分子间的相互作用在生物学领域中相当普遍， 例如，受体和配体的结合，抗原和抗体的结合， 信息传递分子间的结合等，是生物体中信息传递 的基础。
光学显微镜
显 微 镜
暗视野显微镜 实体显微镜 荧光显微镜 偏光显微镜 位相显微镜 倒置式显微镜 微分干涉显微镜 摄影显微镜
透射式电子显微镜
电子显微镜
扫描式电子显微镜
扫描隧道显微镜、原子力显微镜
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
原子力显微镜的构成
1988年，国外开始对原子力显微镜进行改进，激光检测原子力显微镜。 1989年，白春礼等人研制出了我国第一台原子力显微镜，并跻身于国
际先进行列。
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
原子力显微镜在研究分子识别中的应用
分子间的相互作用在生物学领域中相当普遍， 例如，受体和配体的结合，抗原和抗体的结合， 信息传递分子间的结合等，是生物体中信息传递 的基础。
光学显微镜
显 微 镜
暗视野显微镜 实体显微镜 荧光显微镜 偏光显微镜 位相显微镜 倒置式显微镜 微分干涉显微镜 摄影显微镜
透射式电子显微镜
电子显微镜
扫描式电子显微镜
扫描隧道显微镜、原子力显微镜
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
原子力显微镜的构成
原子力显微镜22页PPT
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
33、如果惧怕前面跌宕的山岩，生命 就永远 只能是 死水一 潭。 34、当你眼泪忍不住要流出来的时候 ，睁大 眼睛， 千万别 眨眼!你会看到 世界由 清晰变 模糊的 全过程 ，心会 在你泪 水落下 的那一 刻变得 清澈明 晰。盐 。注定 要融化 的，也 许是用 眼泪的 方式。
35、不要以为自己成功一次就可以了 ，也不 要以为 过去的 光荣可 以被永 远肯定 。
原子力显微镜
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者 的牢骚 ，这是 羊群中 的瘟疫 ，我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望， 辛勤耕 耘，忍 受苦楚 。我一 试再试 ，争取 每天的 成功， 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ，我继 续拼搏 。
ENDLeabharlann
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
4
AFM的三大特点
原子级的高分辨率
光学显微镜的放大倍数一般都超不过1000倍; 电子显微镜的放大倍数极限为100万倍; 而AFM的放大倍数能高达10亿倍,
5
观察活的生命样品
电子显微镜的样品必须进行固定、脱水、包埋、切片、 染色等一系列处理,因此电子显微镜只能观察死的细胞 或组织的微观结构;
原子力显微镜的样本可以是生理状态的各种物质, 在大气条件或溶液中都能进行,因而只需很少或不 需对样品作前期处理,这样,就使AFM能观察任何活 的生命样品及动态过程。
微悬臂和探针
微悬臂
STM 驱动
显示器
计算机 及控制器
试件 压电扫描器
8
立式AFM ( Hansma等,
1988 )
原子力显微镜后来又经过多 次改进，现代的AFM不仅有原子级 的分 辨 率(纵 向 0.01nm， 横 向 0.1 nm)，针尖对试件的作用力极小， 基本不划伤试件，能测量软质试件， 而且具有多项新的测量功能
这些显微技术都是利用探针与样品的不同相互作用，来探测表 面或界面在纳米尺度上表现出的物理性质和化学性质。
扫描探针显微镜具有三个传统显微镜无法达到的重大突破
扫描探针显微镜具有极高度的解析力 扫描探针显微镜具有三维立体的成像能力 扫描探针显微镜可以在多种环境下操作
2
• 原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由Binnig与史丹佛大学的Quate 于一 九八五年所发明的
范德华力
粘附力
短
排斥力
程
弱相互作用力
力 强相互作用力
针尖一试件间（R>>Z） 跳跃接触 针尖试件接触
~10－8m ~10－9m ~10－10m ~10－15m
~10－15m
15
2）探针尖接近试件过程中发生作用的各种力
探针－试件间距离在10 μm左右时，空气阻尼力 探针－试件间距离在100～1000nm时，主要静电力和磁力相互作用 探针－试件间距离在10～100nm处，吸附水膜产生几百nN吸引力的毛细力 针尖－试件距离到达10 nm左右时 ，原子(分子、离子)间吸引的范德华力 针尖－试件间距离小到1 nm以内时，原子间相互排斥的厍仑力开始起作用 3）AFM测量时利用的相互作用力 在接触测量时，检测的是它们间的相互排斥力； 在非接触测量时，检测的是它们间的相互吸引力 4）针尖－试件间其他作用力及其应用于各种扫描力显微镜 针尖－试件间相互作用的磁力，可制成检测材料磁性能的磁力显微镜(MFM)； 针尖－试件间相互作用的静电力，可制成检测材料表面电场电势的静电力显微镜 (EFM)； 探针－试件接触滑行时的摩擦力，可制成研究材料摩擦磨损行为的摩擦力显微镜 (FFM)；
13
3）轻敲扫描成像模式
AFM轻敲扫描针尖振荡示意图
14
3.3 探针与试件间的作用力
1. 探针与试件间的各种作用力
1）各种长程力和短程力
作用力
举例
磁力
生物铁磁体 磁畴
静电力
长
程
毛细力
力
针类—试件间电容 玻璃上水膜 针尖和试件间凹面
液固界面力
相互作用距离
~0.1m ~10－7m ~10－7m ~10－3m ~10－9m ~10－7m
9
3. 原子力显微镜的总体结构组成
10
3.2 原子力显微镜的测量和扫描模式
1. AFM检测的要求
探针尖和试件表面非常接近时，二者间的作用力极为复杂，有原子(分子、离子) 间的排斥力(库仑力)、吸引力(范德华力)、磁力、静电力、摩擦力(接触时)、粘附力、 毛细力等。AFM的检测成像用的是原子(分子、离子)间的排斥力(接触测量)或吸引力 (非接触测量)，而其他各种作用力对AFM的检测成像并无帮助，而只是起干扰影响作 用。
(tapping mode)
AFM的三种扫描成像模式
12
1）接触扫描成像模式
该方式所感知的力是接触原子的外层电子相互排斥的库仑力，这相互排斥的库仑 力大小在10－8～10－11 N。该方式可以稳定地获得高分辨率试件表面微观形貌图像， 有可能达到原子级的测量分辨率。其缺点如下： （1）检测弹性模量低的软质试件时，试件表层在针尖力的作用下会产生变形，甚至 划伤，这将使测出的表面形貌图像出现假象。 （2）在大气条件下，多数试件表面都吸附着覆盖层（凝集水蒸气，有机污染物，氧 化层等），厚度一般为几nm。当探针尖接触这吸附层时，毛细现象会使吸附层下凹， 或粘附到针尖上，引起额外的粘附力，增加了总的作用力，造成了检测成像的畸变。 （3）针尖和试件接触并滑行，容易使探针尖磨损甚至损坏。
3
AFM的优点
STM 的探针是由针尖与样品之间的隧道电流的变化决 定的, STM要求样品表面能够导电，只能直接观察导体 和半导体的表面结构。 对于非导电的物质则要求样品 覆盖一层导电薄膜，但导电薄膜的粒度和均匀性难以 保证，且掩盖了物质表面的细节。
原子力显微镜利用原子之间的范德华力来呈现样品的表 面特性。因此，AFM 除导电样品外，还能够观测非导电 样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆盖，其应用领 域将更为广阔。
6
加工样品的力行为
测试样品的硬度和弹性等;AFM还能产生和 测量电化学反应。AFM还具有对标本的分 子或原子进行加工的力行为,例如:可搬移原 子，切割染色体，在细胞膜上打孔等等。
7
2. 原子力显微镜的基本工作原理 AFM 扫描驱动
试件 AFM探针 STM 探针
探测器
3.1 原子力显微镜简介
激光
2）非接触扫描成像模式
非接触扫描模式测量时，测量的作用力是以范德华力为主的吸引力，针尖－试件 间距离大致在5～20 nm。
非接触扫描测量模式的主要优点, 是探针和试件不接触，针尖测量时不会使试件 表面变形，适用于弹性模量低的试件，此外因针尖和试件不接触，测量不受毛细力的 影响，同时针尖也不易磨损。但非接触扫描测量模式测量灵敏度要低些。
固体材料实验方法
——原子力显微镜
1
1982 年,Gerd Binnig 和Heinrich Rohrer 共同研制成功了第一台 扫描隧道显微镜( scanning tunneling microscope ,STM), 1986 年,Binnig 和Rohrer 被授予诺贝尔物理学奖。衍生出一系列扫描探 针显微镜（Scanning Probe mi； 2) 测量微悬臂形变量的测量模式； 3) 恒力梯度测量模式;
4) 力梯度测量模式。
11
3. AFM检测时的扫描成像模式
AFM检测试件表面微 观形貌时，现在采用 三种不同的扫描成像 模式： 1)接触扫描成像模式 (contact mode)， 2)非接触扫描成像模 式或抬高扫描成像模 式 (non-contact mode或 lift mode), 3)轻敲扫描成像模式
AFM的三大特点
原子级的高分辨率
光学显微镜的放大倍数一般都超不过1000倍; 电子显微镜的放大倍数极限为100万倍; 而AFM的放大倍数能高达10亿倍,
5
观察活的生命样品
电子显微镜的样品必须进行固定、脱水、包埋、切片、 染色等一系列处理,因此电子显微镜只能观察死的细胞 或组织的微观结构;
原子力显微镜的样本可以是生理状态的各种物质, 在大气条件或溶液中都能进行,因而只需很少或不 需对样品作前期处理,这样,就使AFM能观察任何活 的生命样品及动态过程。
微悬臂和探针
微悬臂
STM 驱动
显示器
计算机 及控制器
试件 压电扫描器
8
立式AFM ( Hansma等,
1988 )
原子力显微镜后来又经过多 次改进，现代的AFM不仅有原子级 的分 辨 率(纵 向 0.01nm， 横 向 0.1 nm)，针尖对试件的作用力极小， 基本不划伤试件，能测量软质试件， 而且具有多项新的测量功能
这些显微技术都是利用探针与样品的不同相互作用，来探测表 面或界面在纳米尺度上表现出的物理性质和化学性质。
扫描探针显微镜具有三个传统显微镜无法达到的重大突破
扫描探针显微镜具有极高度的解析力 扫描探针显微镜具有三维立体的成像能力 扫描探针显微镜可以在多种环境下操作
2
• 原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由Binnig与史丹佛大学的Quate 于一 九八五年所发明的
范德华力
粘附力
短
排斥力
程
弱相互作用力
力 强相互作用力
针尖一试件间（R>>Z） 跳跃接触 针尖试件接触
~10－8m ~10－9m ~10－10m ~10－15m
~10－15m
15
2）探针尖接近试件过程中发生作用的各种力
探针－试件间距离在10 μm左右时，空气阻尼力 探针－试件间距离在100～1000nm时，主要静电力和磁力相互作用 探针－试件间距离在10～100nm处，吸附水膜产生几百nN吸引力的毛细力 针尖－试件距离到达10 nm左右时 ，原子(分子、离子)间吸引的范德华力 针尖－试件间距离小到1 nm以内时，原子间相互排斥的厍仑力开始起作用 3）AFM测量时利用的相互作用力 在接触测量时，检测的是它们间的相互排斥力； 在非接触测量时，检测的是它们间的相互吸引力 4）针尖－试件间其他作用力及其应用于各种扫描力显微镜 针尖－试件间相互作用的磁力，可制成检测材料磁性能的磁力显微镜(MFM)； 针尖－试件间相互作用的静电力，可制成检测材料表面电场电势的静电力显微镜 (EFM)； 探针－试件接触滑行时的摩擦力，可制成研究材料摩擦磨损行为的摩擦力显微镜 (FFM)；
13
3）轻敲扫描成像模式
AFM轻敲扫描针尖振荡示意图
14
3.3 探针与试件间的作用力
1. 探针与试件间的各种作用力
1）各种长程力和短程力
作用力
举例
磁力
生物铁磁体 磁畴
静电力
长
程
毛细力
力
针类—试件间电容 玻璃上水膜 针尖和试件间凹面
液固界面力
相互作用距离
~0.1m ~10－7m ~10－7m ~10－3m ~10－9m ~10－7m
9
3. 原子力显微镜的总体结构组成
10
3.2 原子力显微镜的测量和扫描模式
1. AFM检测的要求
探针尖和试件表面非常接近时，二者间的作用力极为复杂，有原子(分子、离子) 间的排斥力(库仑力)、吸引力(范德华力)、磁力、静电力、摩擦力(接触时)、粘附力、 毛细力等。AFM的检测成像用的是原子(分子、离子)间的排斥力(接触测量)或吸引力 (非接触测量)，而其他各种作用力对AFM的检测成像并无帮助，而只是起干扰影响作 用。
(tapping mode)
AFM的三种扫描成像模式
12
1）接触扫描成像模式
该方式所感知的力是接触原子的外层电子相互排斥的库仑力，这相互排斥的库仑 力大小在10－8～10－11 N。该方式可以稳定地获得高分辨率试件表面微观形貌图像， 有可能达到原子级的测量分辨率。其缺点如下： （1）检测弹性模量低的软质试件时，试件表层在针尖力的作用下会产生变形，甚至 划伤，这将使测出的表面形貌图像出现假象。 （2）在大气条件下，多数试件表面都吸附着覆盖层（凝集水蒸气，有机污染物，氧 化层等），厚度一般为几nm。当探针尖接触这吸附层时，毛细现象会使吸附层下凹， 或粘附到针尖上，引起额外的粘附力，增加了总的作用力，造成了检测成像的畸变。 （3）针尖和试件接触并滑行，容易使探针尖磨损甚至损坏。
3
AFM的优点
STM 的探针是由针尖与样品之间的隧道电流的变化决 定的, STM要求样品表面能够导电，只能直接观察导体 和半导体的表面结构。 对于非导电的物质则要求样品 覆盖一层导电薄膜，但导电薄膜的粒度和均匀性难以 保证，且掩盖了物质表面的细节。
原子力显微镜利用原子之间的范德华力来呈现样品的表 面特性。因此，AFM 除导电样品外，还能够观测非导电 样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆盖，其应用领 域将更为广阔。
6
加工样品的力行为
测试样品的硬度和弹性等;AFM还能产生和 测量电化学反应。AFM还具有对标本的分 子或原子进行加工的力行为,例如:可搬移原 子，切割染色体，在细胞膜上打孔等等。
7
2. 原子力显微镜的基本工作原理 AFM 扫描驱动
试件 AFM探针 STM 探针
探测器
3.1 原子力显微镜简介
激光
2）非接触扫描成像模式
非接触扫描模式测量时，测量的作用力是以范德华力为主的吸引力，针尖－试件 间距离大致在5～20 nm。
非接触扫描测量模式的主要优点, 是探针和试件不接触，针尖测量时不会使试件 表面变形，适用于弹性模量低的试件，此外因针尖和试件不接触，测量不受毛细力的 影响，同时针尖也不易磨损。但非接触扫描测量模式测量灵敏度要低些。
固体材料实验方法
——原子力显微镜
1
1982 年,Gerd Binnig 和Heinrich Rohrer 共同研制成功了第一台 扫描隧道显微镜( scanning tunneling microscope ,STM), 1986 年,Binnig 和Rohrer 被授予诺贝尔物理学奖。衍生出一系列扫描探 针显微镜（Scanning Probe mi； 2) 测量微悬臂形变量的测量模式； 3) 恒力梯度测量模式;
4) 力梯度测量模式。
11
3. AFM检测时的扫描成像模式
AFM检测试件表面微 观形貌时，现在采用 三种不同的扫描成像 模式： 1)接触扫描成像模式 (contact mode)， 2)非接触扫描成像模 式或抬高扫描成像模 式 (non-contact mode或 lift mode), 3)轻敲扫描成像模式