扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术
AFM总结
AFM总结AFM（Atomic Force Microscopy，原子力显微镜）是一种高分辨率、非接触式的显微镜技术，用于研究材料表面形貌和性质。
它基于探针与样品表面之间的相互作用力，通过扫描样品表面并记录这些相互作用力的变化，从而实现对样品的显微观察。
原理AFM的工作原理基于一种称为扫描探针的微细尺寸探头。
探针通过微悬臂束附着在针座上，其尖端与样品表面相互作用。
当探针扫描在样品表面上时，探针的尖端会受到样品表面的相互作用力的影响，从而造成悬臂束的微小弯曲。
这种微小的弯曲被传感器检测到，并转化为电信号。
通过记录这些电信号的变化，我们可以确定样品表面的形貌和性质。
由于探针与样品表面之间的相互作用力的极小化，AFM是一种非接触式的显微镜技术，可以避免对样品的损伤。
主要应用AFM在物理学、生物学、化学和材料科学等领域中具有广泛的应用。
表面形貌研究AFM可用于研究材料的表面形貌，包括纳米级和亚纳米级的特征。
通过扫描样品表面并记录探针的位置变化，我们可以生成具有高空间分辨率的表面拓扑图像，进而分析材料的表面结构和形貌特征。
材料力学性质研究AFM还可用于研究材料的力学性质。
通过在AFM探针的尖端引入压力传感器，我们可以测量样品表面的力学响应。
通过在不同位置施加力并记录反馈响应，我们可以获得材料的力学性质，如弹性模量、硬度和粘度等。
生物分子研究AFM在生物学研究中也发挥着重要的作用。
它可以用于观察和测量生物分子，如蛋白质、DNA和细胞等。
通过准确控制扫描速度和力度，AFM可以提供有关生物分子尺寸、形状和相互作用力的信息。
这对于了解生物分子的结构和功能起着至关重要的作用。
纳米加工和纳米制造AFM还可用于纳米加工和纳米制造。
通过利用AFM探针的尖端作为纳米刻蚀工具，我们可以在样品表面上进行定向的纳米加工，并实现纳米级结构和器件的制备。
这种纳米加工技术在纳米电子学、纳米器件和纳米材料的研究与开发中具有重要意义。
优点和局限性AFM具有以下优点：•高空间分辨率：AFM具有亚纳米级别的空间分辨率，可以观察到细微的表面形貌特征。
afm原子力显微镜测试原理
afm原子力显微镜测试原理
AFM（原子力显微镜）测试原理是基于原子间相互作用力来检测样品表面形貌的一种技术。
其工作原理是将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触。
由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。
利用光学检测法检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。
AFM的主要组成部分包括力检测模块、位置检测模块和反馈系统。
当原子力显微镜探针的针尖与样品接近时，在针尖原子和样品表面原子之间相互作用力的影响下，悬臂梁会发生偏转引起反射光的位置发生改变。
当探针在样品表面扫过时，光电检测系统会记录激光的偏转量（悬臂梁的偏转量）并将其反馈给系统，最终通过信号放大器等将其转换成样品的表面形貌特征。
AFM的主要特点是能够观察到纳米尺度的物体，甚至可看到原子。
采用原子力显微镜法在得到其粒径数据的同时可观察到纳米粒子的形貌，并通过原子力显微镜还可观察到纳米粒子的三维形貌。
然而，该法也存在一定的局限性，由于观察的范围有限，得到的数据不具有统计性。
以上内容仅供参考，如需更多信息，可查看AFM的相关文献或咨询专业技术人员。
扫描探针显微技术之二原子力显微镜(AFM)技术
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
精品文档
基本原理
精品文档
基本原理
AFM信号反馈模式
精品文档
微悬臂位移量的检测方式
精品文档
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。
精品文档
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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
物理实验技术中的原子力显微镜的使用方法
物理实验技术中的原子力显微镜的使用方法引言：原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种先进的纳米技术仪器，能够以原子尺度进行表面形貌的观测和测量。
它具有高分辨率、高灵敏度和非接触式测量等优点，被广泛应用于材料科学、生物学和纳米技术等领域。
本文将介绍原子力显微镜的基本原理和使用方法。
一、原子力显微镜的基本原理原子力显微镜基于扫描探针显微技术，通过探针与样品表面之间的相互作用来获取样品表面的形貌信息。
主要的相互作用力有引力力、静电力和范德华力等，其中范德华力是原子力显微镜测量的主要力。
它利用悬臂弹簧原理，通过在探针尖端附近放置一个纳米尖端，测量尖端与样品之间的相互作用力来重建样品表面的形貌。
二、原子力显微镜的使用方法1. 准备工作在进行原子力显微镜实验之前，需要对仪器进行准备工作。
首先，校准仪器的灵敏度和垂直位置，确保能够获得精确的表面形貌信息。
其次，清洁样品台和探针以保证实验的准确性和重复性。
2. 样品准备选择合适的样品进行原子力显微镜测量之前，需要对样品进行预处理。
一般情况下，样品表面应该光滑、干净且没有明显的缺陷或杂质。
如果样品存在污垢或杂质，应进行适当的清洁和处理。
3. 探针安装将合适的探针安装在仪器的扫描头上。
选择合适的探针类型和尺寸，常见的有硅探针、硅基探针和碳纳米管探针等。
确保探针固定稳定，并与样品相对应。
4. 实验参数设置在进行原子力显微镜实验之前，需要根据样品的特性和需求设置合适的实验参数。
包括扫描模式、扫描速度、扫描范围等。
根据需要，可以选择静态模式、动态模式或者谐振模式等不同的扫描模式。
5. 开始扫描设置好实验参数后，可以开始进行原子力显微镜扫描。
将样品放置在样品台上，通过调整仪器的位置和焦距，使得探针与样品表面保持一定的距离。
启动仪器并开始扫描，通过监测探针的偏转来获取样品表面的形貌信息。
6. 数据分析和图像处理完成扫描后，获得的数据需要进行分析和处理。
原子力显微镜技术的使用方法概述
原子力显微镜技术的使用方法概述原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是一种重要的纳米测量技术，它通过感应式测量原理，能够对样品表面的形貌和力学性质进行非接触式的高分辨率测量。
本文将概述原子力显微镜技术的使用方法。
一、概述原子力显微镜技术原子力显微镜技术是1986年由盖宝集团的格尔班教授和夏佐夫教授等人开发成功的。
它基于原子到纳米尺度的力学相互作用，通过探针与样品之间的相互作用力，以非接触式测量的方式获取样品表面的形貌和力学性质。
相对于传统的光学显微镜和电子显微镜，原子力显微镜在分辨率和测量范围上都具有明显优势。
二、原子力显微镜的工作原理原子力显微镜主要由扫描探针、三维扫描装置和检测系统等部分组成。
它通过探针与样品之间的相互作用力来探究样品表面的细节。
当探针在样品表面扫描时，探针与样品表面的相互作用力会产生微小的弯曲变形。
利用悬臂悬浮的原理，通过悬臂上的激光束来检测探针的弯曲变形，并将这些变化转化为图像和数据。
三、原子力显微镜的使用方法1. 样品准备：在使用原子力显微镜之前，需要对样品进行适当的准备。
首先，清洁样品表面，移除附着在表面上的杂质和污染物。
其次，使样品变得光滑平整，以便更好地观察其表面形貌。
2. 系统调试：在开始实验之前，对原子力显微镜系统进行调试是必要的。
首先，调整探针的接触力，使其在与样品表面接触时不会对样品表面造成损伤。
其次，进行悬臂的校准，以确保探针位置的准确度和稳定性。
3. 参数设置：在进行原子力显微镜实验时，需要设置合适的参数。
这包括扫描速度、扫描范围和像素分辨率等。
根据需要观察的特定表面特征，调整这些参数以获得清晰的图像。
4. 实验操作：将样品放置在原子力显微镜的扫描台上，并根据需要选择适当的观察模式，如接触模式、非接触模式、磁力模式等。
控制系统开始进行扫描，并记录相应的数据。
5. 数据分析：通过原子力显微镜获得的数据可以进行各种分析和处理。
原子力显微镜法
原子力显微镜法原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，简称AFM）是一种高分辨率的表面形貌和力学特性测量技术。
它通过在探针和样品表面之间施加微小的力量，利用谐振频率变化的检测原理获得样品表面的拓扑信息，从而实现纳米尺度的观测和测量。
本文将介绍 AFM 的基本原理、操作流程及其在纳米科学与纳米技术领域的应用。
一、基本原理原子力显微镜是基于探针与样品表面之间相互作用力的测量原理工作的。
探针端通过弹性变形受到样品表面的力作用，且力与距离成反比。
AFM以原子尺度的分辨率测量表面形貌，使用悬臂梁弹簧探针，通过测量力传感器的弯曲程度得到样品表面的高低起伏。
由于探针尖端可以被加工成非常尖锐的形状，所以可以实现纳米级别的表面成像。
二、操作流程1. 样品准备：将待测样品表面进行清洗和处理，确保表面干净平整。
2. 探针安装：选择合适的探针并安装在原子力显微镜仪器上。
3. 探针校准：使用标定样品或试样进行探针的校准调整，以确保测量结果的准确性。
4. 调整参数：根据样品的特性和需要测量的参数，进行原子力显微镜的工作参数设置。
5. 表面成像：将样品放置在仪器台面上，通过控制探针的移动和扫描模式，实现对样品表面的成像。
6. 数据分析：对得到的图像进行处理和分析，提取所需的拓扑和力学信息。
三、应用领域原子力显微镜法在纳米科学与纳米技术领域有着广泛的应用。
1. 表面形貌分析：原子力显微镜可以实现对材料表面的纳米级别形貌观测，如纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜等的形貌表征。
2. 纳米力学性质研究：通过在原子力显微镜中加入力曲线扫描模式，可以测量材料的力学性质，如硬度、弹性模量等。
3. 表面化学成分分析：结合原子力显微镜与其他表征手段，如扫描电子显微镜、能谱分析等，可以实现对样品表面化学成分的分析。
4. 生物医学应用：原子力显微镜可实现对生物分子及细胞的高分辨率成像和测量，对生物医学研究具有重要意义。
5. 纳米加工与纳米制造：利用原子力显微镜的扫描控制功能，可以进行纳米级别的构筑、雕刻和操控，用于纳米加工技术和纳米器件制造。
原子力显微镜(AFM)原理及应用讲解
•
相位移模式
作为轻敲模式的一项重要扩展技术，相移模式(相位移模式)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、粘弹性质等。因此利用相 移模式(相位移模式)，可以在纳米尺度上获得样品表面局域性质的丰富信息。 迄今相移模式(相位移模式)已成为原子力显微镜的一种重要检测技术。
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）。
6 AFM的集中工作模式
• 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。
•
轻敲模式：针尖与样品表面相接触，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。 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，扫描成像时针尖对样品进行“敲击”，两者间只有瞬间接触， 能有效克服接触模式下因针尖的作用力，尤其是横向力引起的样品损伤，适合 于柔软或吸附样品的检测。
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。
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。
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工作模式-轻敲模式
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.
基本原理
基本原理
基本原理 原子力显微镜之解析度
基本原理
基本原理
高分子结晶形态观察
非晶态单链高分子结构观察
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。
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
1 表面整体形态研究
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
基本原理
F pair
排斥部分
d 吸引部分 原子 原子 原子
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
工作模式-接触模式
van der Waals force curve
基本原理
氮化硅探针针尖放大图
基本原理 针尖技术
为克服“加宽效应”： 一方面可发展制造尖端更尖的探针技术，
另一方面对标准探针进行修饰也可提高图像质量。
单碳纳米壁管 直径0. 7～5 nm
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.
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。
聚合物膜表面形貌与相分离观察
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。
原子力显微镜
Atomic Force Microscopy
主要内容
发展历史 基本原理 应 用
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)
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 (NSOM)
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)，针尖在振荡时间断地 与样品接触。
工作模式-轻敲模式
特点：
1）分辨率几乎同接触模式一样好；
工作模式-非接触模式
van der Waals force curve
d: 5~20nm 振幅：2nm～5nm
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。
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 数据不稳定和对样品的破坏。
2 孔径(分布),粒度（分布）研究
Section analysis of TM-AFM image.
Tapping mode atomic force micrographs
3 粗糙度研究
粗糙度（Surface roughness）表示膜表面形态间 的差异，影响着膜的物理和化学性能、膜表面的污 染程度和膜的水通量。
主要内容
发展历史 工作原理 应 用
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
……
生物和生命科学
用AFM观察DNA双螺旋结构
生物和生命科学
用AFM观察细胞生长
微电子科学和技术
用AFM观察集成电路的线路刻蚀情况
高分子领域的应用
聚合物膜表面形貌与相分离观察
d ＜０.０３nm
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。
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。
排斥力
原子
吸引力
原子间的作用力
微悬臂
laser diode photo detector
激光二极管
光电检测器
cantilever
sample
scanner基本原理Fra bibliotek基本原理
AFM信号反馈模式
微悬臂位移量的检测方式
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
工作模式
膜污染研究-超滤膜或微滤膜
新膜表面三维图 X —1μ m/ 格; Z —50 nm/ 格
污染膜表面三维图 X —1μ m/ 格; Z —2 000 nm/ 格
AFM 以分辨率高、制 样要求简单、得到的样品 表面信息丰富的特点在各 领域得到了越来越广泛的 应用。
THE END！