AFM_原子力显微镜简介(1)概述
原子力显微镜简介
第一代显微镜
第二代显微镜
第三代显微镜
Abilities and Principles
The AFM has three major abilities: force measurement, imaging, and manipulation
表面传感 原子力显微镜运用悬臂末端锐利的针尖来扫描样 品表面。当探针接近样品表面时，样品与针尖之 间的短程吸引力吸引针尖向表面移动。然而，当 表面和针尖直接接触时，排斥力将会增大并占主 导作用使悬臂向上弯曲。 - 检测方法 激光束被用于检测悬臂是靠近还是远离表面。入 射光束被悬臂平顶上表面反射到位敏光电二极管 （PSPD）中，用来检测悬臂弯曲所导致的反射光 束位置的轻微改变。当针尖通过凸起的表面形态 形貌时，悬臂的弯曲和相应的反射激光束的变化 都会被PSPD记录下来。 - 成像 原子力显微镜通过运用悬臂对特定区域的扫描来 完成样品表面形貌成像。位敏光电二极管检测样 品表面高低起伏的形貌所导致的悬臂弯曲，并通 过反馈回路控制针尖在表面的高度来稳定激光位 置，最终可以形成一幅精确的表面形貌像。
AFM的历史可以追溯到由IBM的Binning和Rohrer开发的STM(Scanning Tunneling Microscope， 扫描隧道电子显微镜)，其本身的目的就是对越来越微小的半导体材质进行纳米级测量。现在 的AFM技术起源于美国斯坦福大学C.F.Quate教授的研究室，是由Binning和Quate教授于1986 年开发成功的。
Disadvantage:
Small scanning area Slow rate of scanning Affect by the probe
Derivative function
原子力显微镜的概述
原子力显微镜的概述
原子力显微镜是以扫描隧道显微镜基本原理发展起来的扫描探针
显微镜。
原子力显微镜的出现无疑为纳米科技的发展起到了推动作用。
原子力显微镜（Atomic Force Microscope ，AFM），一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。
它通过检测待测样品表面和一个微型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信息，从而以纳米级分辨率获得表面形貌结构信息及表面粗糙度信息。
相对于扫描电子显微镜，原子力显微镜具有许多优点。
不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM提供真正的三维表面图。
同时，AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。
第三，电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力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，甚至是活的生物组织。
1。
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。
化学物质的原子力显微镜
化学物质的原子力显微镜原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种能够获得材料表面拓扑结构信息的先进纳米分析仪器。
利用其高分辨率的成像能力，我们可以观察和研究化学物质的微观结构和性质。
本文将介绍原子力显微镜的工作原理、应用领域以及未来的发展趋势。
一、工作原理原子力显微镜是一种基于在原子尺度上感知力的技术。
其工作原理可以简单概括为通过探针与样品表面之间的相互作用来获取样品表面形貌信息。
其关键部件是一个高精度的微悬臂，类似一个弹簧，其尖端装配有一个纳米级的探针。
当探针靠近样品表面时，通过悬臂的微弯变化，可以感知到与样品表面的相互作用力。
通过记录探针与样品的相对位置变化，就可以重构出样品的表面形貌。
二、应用领域1. 材料科学研究：原子力显微镜可以帮助我们观察材料的晶格结构、表面形貌和纳米尺度下的力学性质。
这对于材料研究和新材料的开发具有重要意义。
2. 纳米电子学：原子力显微镜可以在纳米尺度上探测和调控器件的结构和性能。
这对于纳米电子器件的设计和制备具有重要的参考价值。
3. 生物医学领域：原子力显微镜可用于研究生物材料的表面形貌、细胞力学性质和蛋白质折叠状态。
这对于生物医学研究、药物开发和疾病诊断具有重要作用。
三、未来发展趋势1. 高速成像：目前，原子力显微镜的成像速度相对较慢，通常需要几分钟到几小时来获得一张高质量的成像图像。
未来的发展方向是提高成像速度，实现快速、实时的成像。
2. 多模式集成：当前的原子力显微镜通常只能提供一种成像模式，如接触模式或非接触模式。
未来的发展方向是实现多模式集成，使得同一台仪器能够提供多种不同的成像模式。
3. 原位测量：原子力显微镜通常是在大气环境下进行成像，而在许多应用领域，如材料科学和生物医学，所研究的样品往往需要在真空、高温或湿润等特殊环境下进行测量。
未来的发展方向是实现原位测量，使得原子力显微镜能够适应更多的实际应用需求。
结语原子力显微镜作为一种强大的纳米级成像工具，已经在许多领域展现出巨大的潜力。
(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
原子力显微镜原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种高分辨率的显微镜技术，通过探针与样品表面的相互作用，可以获取纳米级的表面形貌和力学性质信息。
本文将介绍原子力显微镜的原理、应用以及未来的发展前景。
一、原理原子力显微镜的工作原理基于触针与样品表面的相互作用力，通过探测器对这种相互作用力进行检测和测量。
主要包括力探头、支撑结构、扫描部件、力传感器等多个部分。
当力探头接近样品表面时，表面原子与力探头上的原子之间会发生排斥或吸引的作用力，力探头被弯曲，力的大小和方向与样品表面的形貌和力学性质有关，通过探测器的测量，可以得到样品表面精细的拓扑信息。
二、应用领域原子力显微镜在材料科学、生物科学、纳米技术等领域有着广泛的应用。
1. 材料科学原子力显微镜可以用于材料的表面结构和形貌研究。
通过观察样品表面的凹凸不平、纳米级的颗粒分布等可以得到材料的表面形貌信息。
同时，还可以通过测量样品表面的硬度和弹性模量来评估材料的力学性质。
2. 生物科学生物领域中，原子力显微镜可以用于观察和研究生物分子的结构和相互作用。
通过将生物样品固定在一个稳定的平台上，可以观察到生物分子的三维结构，从而研究其功能和性质。
此外，原子力显微镜还可以用于细胞力学性质的研究，例如细胞的刚度、粘附性等。
3. 纳米技术在纳米技术领域，原子力显微镜扮演着重要的角色。
可以利用原子力显微镜来观察纳米颗粒的形貌、尺寸和分布，对纳米结构进行表征和分析。
此外，原子力显微镜还可以用于纳米加工、纳米操纵等方面的研究。
三、未来发展前景原子力显微镜作为一种重要的纳米级表征工具，其发展前景非常广阔。
1. 提高分辨率随着技术的不断发展，原子力显微镜的分辨率得到了大幅度的提高。
未来，我们可以预期原子力显微镜的分辨率将越来越高，可以观察到更加微小的结构和表面特征。
2. 多种模式的结合目前已经存在多种不同的原子力显微镜工作模式，例如接触模式、非接触模式、谐振模式等。
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2.接触式AFM工作原理
样品放置在扫描器上方，扫描器中的压电陶瓷管在外加电压的 作用下，可以在X、Y 和Z 方向上独立运动。SPM 探头中的 激光器发出激光，照射在探针的尖端背面，经反射后，落在 光斑位置检测器上。光斑位置检测器上下部分的光强差产生 了上下部分的电压差，通过测量这个压差，就可以得到光斑 位置的变化量。
谢谢！
2.接触式AFM工作原理
当探针在样品表面扫描时，由于样品 表面的原子与微悬臂探针尖端的原 子间的相互作用力，微悬臂将随样 品表面形貌而弯曲起伏，反射光束 也将随之偏移，光斑位置检测器上 下部分的电压差值也发生改变。反 馈电路测量这个差值，通过改变加 在扫描器Z 方向上的电压，保持这 个差值的恒定，计算机记录这个电 压，即反映了样品的表面形貌。
原子力显微镜（AFM）
1.概述 2.工作原理 3.仪器介绍 4.成像模式 5.AFM应用 6.AFM的缺陷
1.概述
• AFM (Atomic Force Microscope)原子力 显微镜 以原子间力为理论基础的显微镜， 从STM（扫描隧道显微镜）发展而来 • 以原子尺寸观察物质表面结构 • 金属、半导体、绝缘体 • 大气、液体环境下直接观察 • 精确测量样品的尺寸参数精确测 量样品的尺寸参数
3.仪器介绍
4.成像模式
4.1 接触模式 • 针尖与样品表面距离小，利用原子间 的斥力 • 可获得高解析度图像 • 样品变形，针尖受损 • 不适合表面柔软的材料
针尖 样品表面
接触模式
4.成像模式
4.2 轻敲模式 • 探针在Z轴维持固定频率振动，当振动到 谷底时与样品表面接触 • 对样品破坏小 • 分辨率几乎与接触模式相同
2.轻敲式AFM工作原理
用一个外加的振荡信号驱动探针在样品 表面上方振动。探针振动的振幅也可通 过光斑位置检测器的上下部分的光强差 来确定。
2.轻敲式AFM工作原理
当探针未逼近样品时，探针在 共振频率附近作自由振动；当 探针在样品表面扫描时，由于 样品表面的原子与微悬臂探针 尖端的原子间的相互作用力， 探针的振幅减小。反馈电路测 量振幅的变化量，通过改变加 在扫描器Z 方向上的电压，保 持探针振幅的恒定，计算机记 录这个电压，即反映了样品的 表面形貌。
5.AFM应用
• 观测样品表面形貌
云母的原子像（接触模式）
DVD光盘表面（接触模式）
5.AFM应用
• 观测样品表面形貌
PE膜，左图为高度图，右图为相图
6.AFM的缺陷
• 1.较小的扫描范围，100μ m到 10nm，容易将局部的、特殊
• 2.极其高的分辨率，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。