电化学原子力显微镜
原子力显微镜在腐蚀电化学中的应用
原 子 力 显 微 镜在 腐 蚀 电化 学 中 的应 用
柏任流 ， 周 静
（ 南民族 师 范学 院 化 学 与化 工 系， 州 都 匀 ５８０ ） 黔 贵 ５００
摘
意义 。
要： 介绍原子力显微镜发展 的历史 ， 述 了原子力显微 镜 工作 的原理 、 评 操作模 式 以及在 电化 学腐蚀 中的应 用和
关键词 ： 原子力显微镜 ； 悬臂 ； 微 针尖 ； 腐蚀 电化 学
中图分类号 ： ６７ ０５ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：６ ７— ３ ８ ２ ０ ） ６— ０ ５— ４ １４ ２ ９ （ ０８ ０ ０ ５ ０
Ａｐｐ ｉ ａ ｉ ｎ ｆＡｔ ｍｉ ｒ ｅ Ｍ ｉ ｒ ｓ ｏ ｎ ｅｅ ｔｏｃ ｍ ｉａｌｃ ｒ ｏ ｉ ｎ ｌｃ ｔｏ ｏ ｏ ｃ Ｆｏ ｃ ｃ ｏ ｃ ｐｙ ｉ ｌ ｃ ｒ ｈｅ ｃ ｏ ｒ ｓｏ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ ｐ ｐ ｒｉ ｈ ｅ ｌ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｔ ｅ ｄ ｖ ｌｐ ｄ ｈ ｓｏｙ ｏ ｔ ｍｉ ｏ ｃ ｃ ｏ ｏ ｅ，ａ ｄ ｃ ｍｍｅ ｔ ｒｎ ｉ ｌ ｆ ｗ ｒ ｎ ｐ ｒ ｔｒ ｓ ｒ ｃ ： ｈ ａ ｅ ｓ ｃ ｉ ｆ ｉ ｔ ｕ ｅ ｈ ｅ ｅ ｏ ｅ ｉ ｒ ｆａ ｏ ｃ ｆ ｒ ｅ ｍｉ ｒ ｓ ｐ ｙ ｏ ｔ ｃ ｎ ｏ ｎ ｅ ｐ ｉ ｃｐ ｅ ｏ ｏ ｋ ａ ｄ ｏ ｅ ａ ｏ ｄ ｓ ｈ ｍｅ ｏ ｔ ｍｉ ｒ ｅ ｍｉｒ ｓ ｏ ｅ ａ ｌ ａ ｐ ｉａ ｉ ｎ ａ ｄ ｐ ｒ ｓ ｎ ｅｅ ｔ ｃ ｅ ｃ ｌｃ ｒｏ ｉｎ． ｃ ｅ ｆａ ｏ ｃ ｆ ｃ ｃ ｏ ｃ ｐ ８ ｗｅｌ ｐ ｌ ｔ ｕ ｐｏ ｅ ｉ ｌ ｃｒ ｈ ｍｉ ａ ｏ ｒ ｓｏ ｏ ｃ ｏ ｎ ｏ Ｋｅ ｒ ｓ： ｏ ｃ ｆｒ ｅ ｍｉ ｒ ｓ ｏ ｅ；ｃ ｎ ｉ ｖ ｒ ｉ ｙ ｗｏ ｄ Ａｔｍｉ ｃ ｃ ｃ ｐ ｏ ｏ ａ ｔ ｅ ｅ ；ｔ ｌ ｐ；ｅ ｅ ｔｏ ｈ ｍｉａ ｏ ｒ ｓｏ ｌｃ ｒｃ ｅ ｃ ｃ ｒｏ ｉｎ ｌ
原子力显微镜简介2016年
原子力显微镜简介1.原子力显微镜的发展历史2.原子力显微镜的基本原理3.原子力显微镜的要素4.原子力显微镜的操作模式5.原子力显微镜的针尖卷积效应与图像假像6.原子力显微镜的应用进展•三维扫描控制•控制电路•振荡隔离系统•微悬臂形变检测方法•微悬臂的设计思想及制作方法•基本成像模式•派生成像模式•谱学模式原子力显微镜的发展历史mmμmnm10-910-610-3m肉眼可见光学显微镜扫描电镜扫描探针显微镜扫描I 扫描IZ I 一次扫描扫描示意图扫描隧道显微镜(STM)的发明和原理1982年，IBM 苏黎世实验室的G. Binnig 博士和H. Rohrer 博士及其同事们发明了STM氙原子在镍(110)表面排成的最小IBM商标铜(111)表面上的铁原子量子围栏搬走原子写“中国”铂表面上一氧化碳分子排成的“纳米人”铁原子在铜(111)表面排成的汉字原子力显微镜(AFM)的发明由于STM是利用隧道电流进行表面形貌及表面电子结构性质的研究，所以只能直接对导体和半导体样品进行研究，不能用来直接观察和研究绝缘体样品和有较厚氧化层的样品。
1986年Binnig、Quate和Gerber发明了第一台原子力显微镜1987年Quate等人获得了高定向热解石墨（HOPG）的高分辨原子图像1987年，Quate等人获得了高定向热解氮化硼（HOPBN）表面的高分辨原子图像，其中HOPBN是第一个用AFM获得原子分辨图像的绝缘体。
原子力显微镜的派生功能摩擦力显微镜（FFM）磁力显微镜（MFM）导电AFM（CAFM）静电力显微镜（EFM ）表面电势成像（SP imaging）扫描电化学显微镜（SECM）扫描电容显微镜（SCM）扫描热显微镜（SThM）这些新型的显微镜，都利用了反馈回路通过针尖和样品的某种作用（光、电、热、磁、力等）来控制针尖在距表面一定距离处扫描，从而获得表面的各种信息。
原子力显微镜的基本原理在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间的相互作用力，来研究待测物表面的形貌和物理化学特性。
原子力显微镜
2 3
21
24ຫໍສະໝຸດ R[z2 2
1 30
z
8 8
]
F (z)
F (z) z
3 4
21
2
3
R[
z
3 3
2 15
z
9 9
]
3.4 毛细力和AFM在液体中测量
1. 试件表面旳吸附层
化学吸附
物理吸附
亲水
疏水
2. 毛细力及其对AFM测量旳影响
Fa 2Rh / 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。
2. 作用力旳检测模式
1) 恒力测量模式；
2) 测量微悬臂形变量旳测量模式； 3) 恒力梯度测量模式;
4) 力梯度测量模式。
3. AFM检测时旳扫描成像模式
AFM检测试件表面微 观形貌时，目前采用 三种不同旳扫描成像 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
3）轻敲扫描成像模式
AFM轻敲扫描针尖振荡示意图
3.3 探针与试件间旳作用力
1. 探针与试件间旳多种作用力
1）多种长程力和短程力
作用力
磁力
静电力
长
程
毛细力
力
液固界面力
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
举例 生物铁磁体 磁畴 针类—试件间电容 玻璃上水膜 针尖和试件间凹面
针尖一试件间（R>>Z） 跳跃接触 针尖试件接触
原子力显微镜简介2016
原子力显微镜简介1.原子力显微镜的发展历史2.原子力显微镜的基本原理3.原子力显微镜的要素4.原子力显微镜的操作模式5.原子力显微镜的针尖卷积效应与图像假像6.原子力显微镜的应用进展•三维扫描控制•控制电路•振荡隔离系统•微悬臂形变检测方法•微悬臂的设计思想及制作方法•基本成像模式•派生成像模式•谱学模式原子力显微镜的发展历史mmμmnm10-910-610-3m肉眼可见光学显微镜扫描电镜扫描探针显微镜扫描I 扫描IZ I 一次扫描扫描示意图扫描隧道显微镜(STM)的发明和原理1982年，IBM 苏黎世实验室的G. Binnig 博士和H. Rohrer 博士及其同事们发明了STM氙原子在镍(110)表面排成的最小IBM商标铜(111)表面上的铁原子量子围栏搬走原子写“中国”铂表面上一氧化碳分子排成的“纳米人”铁原子在铜(111)表面排成的汉字原子力显微镜(AFM)的发明由于STM是利用隧道电流进行表面形貌及表面电子结构性质的研究，所以只能直接对导体和半导体样品进行研究，不能用来直接观察和研究绝缘体样品和有较厚氧化层的样品。
1986年Binnig、Quate和Gerber发明了第一台原子力显微镜1987年Quate等人获得了高定向热解石墨（HOPG）的高分辨原子图像1987年，Quate等人获得了高定向热解氮化硼（HOPBN）表面的高分辨原子图像，其中HOPBN是第一个用AFM获得原子分辨图像的绝缘体。
原子力显微镜的派生功能摩擦力显微镜（FFM）磁力显微镜（MFM）导电AFM（CAFM）静电力显微镜（EFM ）表面电势成像（SP imaging）扫描电化学显微镜（SECM）扫描电容显微镜（SCM）扫描热显微镜（SThM）这些新型的显微镜，都利用了反馈回路通过针尖和样品的某种作用（光、电、热、磁、力等）来控制针尖在距表面一定距离处扫描，从而获得表面的各种信息。
原子力显微镜的基本原理在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间的相互作用力，来研究待测物表面的形貌和物理化学特性。
原子力显微镜
引言：在当今的科学技术中，如何观察、测量、分析尺寸小于可见光波长的物体，是一个重要的研究方向。
1982年，G. Binnig和H.Rohrer在IBM公司苏黎世实验室共同研制成功了第一台扫描隧道显微镜(scanning tunnelling microscope，STM)，使人们首次能够真正实时地观察到单个原子在物体表面的排列方式和与表面电子行为有关的物理、化学性质。
1986年，Binnig和Rohrer被授予诺贝尔物理学奖。
但STM要求样品表面能够导电，从而使得STM 只能直接观察导体和半导体的表面结构。
为了克服STM的不足之处，Binnig、Quate和Gerber 决定用微悬臂作为力信号的传播媒介，把微悬臂放在样品和STM的针尖之间，于1986年推出了原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)，AFM是通过探针与被测样品之间微弱的相互作用力来获得物质表面形貌的信息，因此，AFM除导电样品外，还能够观测非导电样品的表面结构，其应用领域更为广阔，除物理、化学、生物等领域外，AFM在微电子学、微机械学、新型材料、医学等领域都有着广泛的应用。
以STM和AFM为基础，衍生出了一系列的扫描探针显微镜(SPM)，有激光力显微镜(LFM)、磁力显微镜(MFM)等。
扫描探针显微镜主要用于对物质表面在纳米级上进行成像和分析。
实验目的：1 了解原子力显微镜的工作原理。
2 初步掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法。
实验原理一、AFM的工作原理和工作模式(1) AFM的工作原理在AFM中用一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂上的极细探针代替STM中的金属极细探针，当探针与样品接触时，由于它们原子之间存在极微弱的作用力(吸引或排斥力)，引起微悬臂偏转。
扫描时控制这种作用力恒定，带针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的等位面，在垂直于样品表面方向上起伏运动，通过光电检测系统对微悬臂的偏转进行扫描，测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像．AFM的核心部件是力的传感器件，包括微悬臂(Cantilever)和固定于其一端的针尖。
原子力显微镜技术解析材料表面结构与性质之间的关系
原子力显微镜技术解析材料表面结构与性质之间的关系摘要：材料的性质与其表面结构的关系一直以来都是材料科学领域的一个重要研究方向。
随着科学技术的发展，原子力显微镜技术成为研究材料表面结构的重要工具。
本文将对原子力显微镜技术进行解析，以及其在研究材料表面结构与性质之间的关系方面的应用，并探讨其未来的发展方向。
第一部分：原子力显微镜技术的原理和工作方式原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种基于扫描探针原理的纳米尺度测量技术。
其工作原理基于悬臂悬挂的探针缓慢接近样品表面，通过测量探针与样品表面的相互作用力，得到样品表面的拓扑特征。
AFM技术具有高分辨率、强大的力测量能力和多种工作模式等特点，被广泛应用于材料科学研究领域。
第二部分：原子力显微镜技术在表面结构研究中的应用2.1 表面形貌和粗糙度研究原子力显微镜可以实时扫描样品表面的形貌，在纳米尺度上对材料表面的几何形状进行高分辨率的测量。
通过测量表面形貌，可以研究材料的相位分布、晶体结构以及晶格畸变等信息。
此外，原子力显微镜还可以测量材料表面的粗糙度参数，从而研究材料表面的质量和加工状态。
2.2 表面力学性质研究原子力显微镜不仅可以通过测量扭转或振动探针的频率变化分析样品表面的弹性模量，还可以通过测量探针在样品表面的振幅变化分析材料的粘性、黏度以及硬度等机械性质。
借助这些力学性质的测量，研究人员可以更加深入地了解材料的力学行为及其与表面结构之间的关系。
2.3 表面电学性质研究材料的电学性质对其性能和应用具有重要影响。
原子力显微镜技术可以通过探针与样品表面之间的电荷相互作用，测量材料表面的电荷分布和电导率等电学性质。
这对于研究材料的电子结构、电场效应以及电化学反应等方面具有重要意义。
第三部分：原子力显微镜技术在材料性质研究中的应用案例3.1 薄膜材料的研究原子力显微镜技术可以研究和表征各种不同类型和厚度的薄膜材料。
通过测量薄膜表面的拓扑特征和力学性质，可以评估薄膜材料的品质、制备工艺以及与基底材料之间的相互作用。
AFM-原子力显微镜
• 检测微悬臂弯曲的方法：1－隧道电流法； 2－电容检测法；3－光学检测法（干涉法 和光束反射法）
• 选择检测方法的原则：检测方法本身对悬 臂产生的作用力应该小到可以忽略的程度。
表面的高分辨率图象； 3.使用环境宽松； 4.应用领域宽广； 5.价格相对来讲较低。
.
STM的缺陷
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。
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.
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。
.
AFM的优缺点
原子级的高分辨率； 宽松的测试条件； 可以得到力学等众多信息。
➢ AFM观察的始终是样品的外部信息； ➢ 样品固定； ➢ 视野局限；
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AFM的应用
✓AFM成像（形貌观察） ✓力学性能测试 ✓电、磁性能测试 ✓加工、操纵
.
云母表面结构AFM成像
.
石墨表面结构AFM成像
AFM像中，A和B位置是近乎等同的 .
原子力显微镜 Atomic Force Microscope (AFM)
.
透射电镜成像偏差原因
球差：孔径角不同造成折射能力不同 畸变：离轴距离的改变导致放大倍数的改变 慧形差：旁轴射线与非旁轴射线成像 场曲：磁场汇聚作用的差异 色差：电子初速度不完全相同 轴上色散：磁透镜非严格对称 衍射差：类似光学显微镜由透镜导致的
原子力显微镜的构造、性能和使用方法
3、取下激光头，把装有探针的悬臂夹放入激光头中，用激光头后面的锁紧螺丝把悬臂夹锁紧 4、把激光头放回扫描管上，注意探针与样品表面之间的距离，不要让探针碰到样品 5、调整针尖接近样品上方，并调整激光点到探针尖端的背面 四、操作步骤
4.1 开机安装
6、用CCD Camera的粗调螺丝上下移动CCD Camera，在监视器上找到样品的表面，用Base上的Up，Down扳手把探针慢慢往下降，直到在监视器上看到模糊的探针。如果样品是透明的，在监视器上将看不到样品的表面，这时我们以监视器上探针与探针的像将近重合为标准来确定探针在样品正上方的高度 四、操作步骤
从file中选择open workspace,选择contact mode（tapping mode）
接触模式不执行此步，轻敲模式要先点击tune按钮，进入cantilever tune 界面，点击auto tune按钮，计算机自动找寻探针的共振频率，对于普通的Rtesp探针，此频率大约在200-400kHz之间，当tune完成后，返回real time 模式。
03
一、目的与要求
二、构造、原理及功能
DI MultiModeV 扫描探针显微镜
1
2
6
5
4
3
CCD Camera
控制器
激光头
2.1 原子力显微镜的构造
防震台
扫描管
1
2
2.1 原子力显微镜的构造
二、构造、原理及功能 激光头
2.1 原子力显微镜的构造
悬臂夹 二、构造、原理及功能
2.1 原子力显微镜的构造
实验操作过程中需要注意那些问题?
五、思考题
从Tools/select scanner对话框中选择所用的扫描管类型，点OK
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要在高真空的环境下操作
6
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)
电化学原子力显微镜
梁景肖 王芳
Contents
原子力显微镜的出现
原子力显微镜工作原理
原子力显微镜应用
电化学原子力显微镜
电化学原子力显微镜应用实例
2
显微镜发展历史
第一代光学显微 镜(1676)
远场显微镜 显微镜
近场显微镜 第二代电子显微 镜(1938) 第三代扫描探针 显微镜SPM （1982）
3
小悬臂（canห้องสมุดไป่ตู้ilever）来感测针尖与样品之间的交互作用，测得 作用力。这作用力会使cantilever摆动，再利用激光将光照射在 cantilever的末端，当摆动形成时，会使反射光的位置改变而造 成偏移量，此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号
给反馈系统，以利于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特
远场显微镜和近场显微镜
光学显微镜和电子显微镜都称之为远场显微镜，因为相对 来说样品离成像系统有比较远的距离。成像的图像好坏基 本取决于仪器的质量。
而扫描探针显微镜的工作原理是基于微观或介观范围的各
种物理特性，探针和样品之间只有2-3埃的距离，会产生 相互的作用，是一种相互影响的耦合体系。我们称它为近 场显微镜。它的成像质量不单单取决于显微镜本身，很大 程度上受样品本身和针尖状态的影响。
信息，从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。
11
基本原理
F pair
排斥部分 d 吸引部分
原子 原子
排斥力
原子 原子 吸 引 力
原子间的作用力
12
在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微小悬臂来感测针尖与样品之
间的交互作用，这作用力会使悬臂摆动，利用激光将光照射在悬臂的末
端，当摆动形成时，会使反射光的位置改变而造成偏移量，此时激光检 测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适
结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力
敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的 表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固 定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用， 作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描
样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布
重影响AFM成像质量。
19
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。
20
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
SPM、SEM、STM精度比较
8
AFM出现的意义
STM的原理是电子的“隧道效应”，所以只能测导
体和部分半导体。
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。
9ce Microscope ， AFM），一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面
当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的方式给呈现出来。
13
微悬臂
laser diode photo detector
激光二极管
光电检测器
cantilever
sample
scanner
14
原子力显微镜（AFM）便是结合以上三个部分来将样品的表面
特性呈现出来的：在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微
Lateral Force Microscopy (LFM)
Magnetic Force Microscopy (MFM) Electrostatic Force Microscopy (EFM) Chemical Force Microscopy (CFM) Near Field Scanning Optical 7 Microscopy (NSOM)
性以影像的方式给呈现出来。
15
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
16
工作模式
接触模式 (contact mode) 非接触模式 (non-contact mode) 轻敲模式 (intermittent contact mode)
van der Waals force curve
17
接触模式
van der Waals force curve
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。
18
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
像数据不稳定和对样品的破坏。
21
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。
22
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；
23
24
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。
4
光学显微镜
衍 射 效 应
衍射屏 观察屏
S
*
a
刚可分辨
不可分辨
最小分辨距离：阿贝公式
1.22 r 2n sin
r~0.2um （3000倍）
5
电子显微镜
电子波长比可见光短得多。制成电子显微镜将具 有更高的分辨本领。 1938年：第一台透射电子显微镜（TEM）。 1952年：第一台扫描电子显微镜（SEM）。 电子显微镜的分辨率可以达到纳米级（10-9m）。 样品处理过程复杂