扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术-精
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。
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应用发展
原子力显微镜技术的应用发展原子力显微镜（AFM）技术是一种高分辨率的表面力学和形貌测量技术。
虽然最初的应用是在物理学中的研究，但随着技术的不断发展，AFM在材料、生物、化学和医学等领域得到了广泛应用。
本文将讨论AFM技术的基本原理、发展历史以及应用领域。
一、AFM技术的基本原理AFM技术是利用扫描探针和样品之间的静电力和分子力来实现表面成像的。
扫描探针的针尖非常小，只有1-10纳米的直径，扫描探针在样品表面上扫描，检测扫描探针和样品之间的力信号。
此时电控制系统会根据探针的偏移量来调整探针和样品之间的力信号，从而保持想要的距离。
扫描探针的位置可以被记录下来，在计算机屏幕上形成他们之间的高度差（拓扑形貌）影像。
AFM 技术能够对样品表面进行微小区域的观测和精准测量，因此适用于许多领域的研究。
二、AFM技术的发展历史AFM技术是由美国物理学家 Gerd Binnig 和 Heinrich Rohrer 在20世纪80年代初发明的，他们因此获得了1986年的诺贝尔物理学奖。
最初的AFM技术只能在真空条件下工作。
然而，近年来，由于开发出了新的扫描探针和控制系统，AFM技术已经可以在大气环境下使用了。
此外，AFM技术还有其他改进，例如高速扫描和感光技术。
这些技术的不断改进和完善，使得AFM技术在研究领域中的应用更加广泛。
三、AFM技术的应用领域1. 材料科学在材料科学中，AFM技术被广泛用于表面形貌和表面力学测量。
例如，在纳米级分析中，AFM技术是研究纳米结构材料表面形貌和表面力学性质的重要工具。
此外，AFM技术还可以用于材料表面状态的实时观察和检测，例如氧化，腐蚀和热处理等工艺。
2. 生物科学在生物科学中，AFM技术可以被用于测量生物材料的细观结构和机械性质。
例如，生物分子的形态、力学性质、纳米级别内表面结构等的测量。
此外，AFM技术还可以用于图像分析，例如细胞膜的结构，细胞结构的三维可视化等。
3. 化学和电子学在化学和电子学中，AFM技术可以用于研究材料的化学成分和表面反应。
扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术ppt课件
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
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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
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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(AFM)原理及应用讲解
10 AFM的其他应用
利用AFM可以对样品进行表面原子搬运，原子蚀刻，从而制造纳米器件。
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。
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）。
• 位置检测部分：
在AFM的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之 后，会使得悬臂摆动，所以当激光照射在悬臂的末端 时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变， 这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光 斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以 供SPM控制器作信号处理。
• 反馈系统：
• 试样的厚度，包括试样台的厚度，最大为10 mm。如果试样过重， 有时会影响Scanner的动作，请不要放过重的试样。试样的大小以不 大于试样台的大小（直径20 mm）为大致的标准。稍微大一点也没问 题。但是，最大值约为40 mm。如果未固定好就进行测量可能产生移 位。请固定好后再测定。
原子力显微镜技术的原理和应用
原子力显微镜技术的原理和应用原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是一种利用压电陶瓷探针与样品之间的相互作用进行高分辨率成像的技术。
相比于传统的光学显微镜，原子力显微镜可以在纳米级别对样品表面形貌、力学性能、电学性质等进行非接触、高分辨率的观测和测量。
原理原子力显微镜的探针是由纳米尺寸的硅或氮化硅材料制成的，具有极高的机械强度和较小的弹性变形。
在扫描过程中，探针会通过扫描头的控制，使探针与样品表面接触，并在靠近距离内感受到样品表面的反弹力。
探针与样品表面之间的相互作用主要有万有引力、范德华力、静电力和化学键作用力等。
在不同的距离范围内，这些相互作用力数量级的变化可能非常大。
通过控制扫描头与样品之间的距离并检测探针反弹的强度，就可以获得样品表面的高分辨率图像。
应用原子力显微镜技术广泛应用于纳米材料和生物学领域中。
以下是原子力显微镜在不同应用领域中的应用情况：材料科学原子力显微镜技术对于纳米级别的材料表面形貌、结构、力学性能和电学性质的研究非常有用。
许多纳米材料例如碳纳米管、石墨烯和纳米线等，都具有特殊的表面结构和力学性能，这些特性是通过原子力显微镜技术进行高分辨率观测和测量得到的。
生命科学原子力显微镜技术可以用于生命科学中对细胞和蛋白质结构的研究。
通过原子力显微镜技术，科学家们可以研究单个分子的形态和机制，并观察生物分子的反应、扩散和结构变化等。
这项技术已经被用于细胞壁的形态学研究、蛋白质折叠过程的研究以及DNA结构的研究等。
纳米电子学原子力显微镜技术还可以用于纳米电子学中，特别是在研究半导体器件和纳米电子学元器件时。
举例来说，它被用于研究纳米晶体管的性能和导电性质，并且成功地对其器件的构造进行了重建和监测。
环境科学原子力显微镜技术可以用于对环境污染物的检测和监测。
例如，它可以用于研究气凝胶的形貌、结构和性质，与污染控制相关的表面湿润性研究等。
总体来说，原子力显微镜是一种高分辨率成像和测量技术，其应用带来了许多已知和未知领域的新见解和突破。
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。
扫描电子显微镜(SEM)与原子力显微镜(AFM)
AFM图像
AFM技术可得到样品表面形貌结构的三维图像，并能测 量样品的三维信息，如左图，可准确地测出两个位置的高度 差。 由于AFM图像的纵向分辨率小于0. 01 nm,它能区分原子 级表面变化，可计算出样品表面的粗糙度，如右图，但是， 在原子级表面，SEM技术非常难检测样品表面细微的高度变 化。
SEM技术的图像，扫描范围较大，可达数mm× mm，具 有较大的景深，可达数微米。 AFM技术的最大扫描范围100μm× 100μm，景深仅为数 微米。
在较大扫描范围(μm或mm级)，SEM的图像质量优于AFM；而在进 行小范围扫描时，尤其是nm级的扫描范围，AFM的图像明显优于SEM。
SEM图像
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。横向分辨率和纵向分辨率可达到0. 1 nm和0. 01 nm，即可以分辨出单个原子。 AFM的样品制备非常简单，一般直接将样品放在AFM 的载体上。 AFM可以测量样品表面的硬度、粗糙度，磁场力，电 场力，温度分布和材料表面组成等样品的物理特性。 AFM能在近生理条件下(空气中或液体中)或生理条件下 直接成像，以分子或亚分子分辨率得到生物分子及样品表 面的三维图象。解决了用SEM观察细胞时样品的变形和损 伤问题。
扫描电子显微镜（SEM）与原子力显微镜()
SEM通过探测样品表面激发出的二次电子、背散射 电子等信号得到样品表面的图像。 SEM要求样品导电，对于非导电或导电性较差的样 品，则要先对样品进行镀膜处理，在样品表面形成一层 导电膜，以避免电荷积累，影响图象质量。 对于含有水分的样品，如生物样品，要经过固定， 脱水，干燥，喷金(银)等环节，保证样品导电性能良好。 对磁性试样要预先去磁，以免观察时电子束受到磁 场的影响。 同时，SEM要求在真空条件下观察成像，部分样品 无法在其自然状态下观察，如生物样品在制样或扫描过 程中将受到损伤或杀死。