AFM 原子力显微镜简介
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。
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。
AFM简介解读
微纳尺寸的测试表征技术之—AFM简介：AFM全称Atomic Force Microscope，即原子力显微镜，Binnig, Quate and Gerber于1986年发明。
它是继扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope）之后发明的一种高分辨的新型仪器，可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵；其相对于STM最大的优势是可以测不导电的样品。
现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研究和科研院所各种纳米相关学科的研究实验等领域中，成为纳米科学研究的基本工具。
原理：AFM是用一种特殊的探针去探测针尖和样品之间的相互作用力，这种作用力即是Van der Waals力（分子间相互作用力）。
当AFM针尖靠近样品表面的时候，针尖和样品表面原子之间的原子力如下图所示：表面施加给针尖的相互作用力会导致悬臂的弯曲悬臂这样微小的变化可以通过光学技术记录下来，这样就可以产生AFM 的形貌图AFM 的分辨率对于AFM ，悬臂变化对针尖和样品之间距离的依赖性比较弱（如下图所示）Z = - F / k这样会导致针尖上的几个原子同时和样品上的几个原子起作用。
因此，AFM 并不能得到原子级的分辨率。
AFM设备扫描探头，回路系统，振动隔离系统，探针，悬臂变化探测系统等AFM探针----悬臂和针尖在AFM中，探针是平行于样品表面放置的，探针由弹性的悬臂，悬臂末端的针尖和一个底座构成。
当针尖和样品之间的相互作用力发生的时候，弯曲就会在悬臂上产生。
AFM悬臂悬臂可以理解成一个具有弹性系数k的弹簧，当力（F）作用在探针上的时候，悬臂上就会发生一个小的偏移（∆z），并遵守胡克定律。
∆Z = - F / kV型的悬臂是最常用的，它对垂直的变化具有较小的力学阻力，但对于横向的变化又有较大的力学阻力。
另一种比较常用的悬臂是直角的。
悬臂一般长100到200μm，宽10到40μm，厚0.3到2μm。
原子力显微镜基础知识解读
原子力显微镜基础知识解读原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种高分辨率的显微镜，可用于研究物质的表面形态、力学性质等。
AFM采用扫描探针从样品表面扫描，利用针尖与样品表面的相互作用力来获得样品表面的形貌信息。
AFM具有高分辨率、非接触测量、可以在常温常压下进行实验等优点，因此被广泛应用于物理、化学、材料等多个领域的研究。
AFM工作原理AFM探头在扫描样品表面的过程中，通过针尖与样品表面的相互作用力（包括原子间力、化学键力、范德华力、弹性力等）来感知样品表面形态信息。
AFM采用的采样频率一般在几十赫兹到几百赫兹之间，探测范围在纳米到微米之间，精度可达纳米级别。
AFM探测原理大体可以分为力-位移探测和干涉仪探测两种方式。
力-位移探测是利用弹性探针尖部与样品表面间的相互作用力来感知样品表面形态信息。
探针在扫描样品表面时，探针尖部的位置发生微小变化，这种变化可以通过晶体谐振试验测量得到。
干涉仪探测则是采用光学干涉原理，通过探针尖部的振动干涉信号来获得样品表面形态的信息。
AFM应用领域AFM在各个领域有着广泛的应用。
在表面形态方面，AFM可以获得样品表面形貌、粗糙度、角度等信息。
在生物领域，AFM 可以用于测量蛋白质、DNA、细胞等的力学性质，如弹性模量、形变硬度等。
在材料科学领域，AFM可以用于材料表面物理性质的研究，如表面润湿性、磁性、电学性质等。
在纳米科技领域，AFM可以用于制备纳米结构及其表面形态研究等。
使用AFM时需要注意的事项在使用AFM时需注意：1、准备好样品。
样品应具备光洁度、平整度等要求，要排除可能引起探针损坏或测量误差的因素。
2、确定扫描范围。
根据需要获得的样品表面信息，确定扫描范围及分辨率。
3、选择适量的力度。
根据样品类型及探针硬度等因素，选择适量的力度。
4、检测探针。
检测探针的质量及硬度等特性。
5、设置参数。
根据采样方式、探租类型及大小等，设置相应的参数。
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。
原子力显微镜(afm)的基本构成
原子力显微镜（afm）的基本构成原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种测量样品表面形貌和力学性质的仪器。
它是在20世纪80年代末发展起来的一种非接触式表面探测技术。
AFM可以在几个纳米至亚纳米尺度范围内进行表面测量，可用于对样品的形貌、磁性、电导率等性质进行研究。
下面将介绍AFM的基本构成。
1.扫描压电陶瓷动力系统：该系统由扫描器和压电陶瓷驱动器组成。
扫描器通常由三个方向的压电陶瓷构成，通过改变瓷片的形变来实现样品表面的扫描。
压电陶瓷驱动器则负责产生电压信号，控制扫描器的移动。
这个系统的精度决定了扫描和测量的精度。
2.悬臂梁/探针：AFM的探测部分由一个非常尖锐的探针组成。
探针的尖端通常是金或硅制成，其尺寸可以从几纳米到亚纳米。
悬臂梁/探针连接到悬臂支撑系统，其作用是传递扫描过程中对样品表面的力信号。
3.光学探测系统：AFM使用光学技术来获取样品的形貌信息。
光学系统通常包括激光光源、光学透镜和位移检测器。
激光光源发出一束光束，照射到悬臂梁上，并反射到位移检测器上。
位移检测器测量悬臂的挠度，并将其转换为电信号。
4.反馈系统与力曲线：AFM通过一个反馈系统来实现对扫描过程中的力信号的控制。
反馈系统会监测探针受到的力，将其与设定的力进行比较并进行调整，以保持恒定的力作用在探针上。
此外，反馈系统还会记录力曲线，即探针所受到的力与其在样品表面扫描位置之间的关系。
5.控制和数据分析系统：AFM的控制系统通过电脑来实现。
该系统控制扫描器的移动和力信号的获取，并根据获取的数据进行分析和处理。
用户可以通过电脑软件来控制AFM仪器的各种参数，并进行样品表面的三维成像、力谱分析等。
除了以上基本构成外，AFM还可以根据研究需求配备不同的显微镜头，以扩展其应用范围。
常见的显微镜头包括原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）、磁力显微镜（Magnetic Force Microscope，简称MFM）、电导率显微镜（Conductive Atomic Force Microscope，简称C-AFM）等。
原子力显微镜介绍
几种检测方法比较
分辨率 优缺点
隧道电流法
Z向0.01nm
电容法
光学干涉法 光束偏转法
Z向0.01nm
z向0.001nm z向0.003nm
当微悬臂上产生隧道电流的部 位被污染时，其性能将下降， 因此该法适用于高真空检测 抗噪音水平低
灵敏度和信噪比都高，设备复 杂 原理和技术简单，精度也较高， 适用范围广
Typical system & constitution
Advantage
AFM优点
AFM能提供生物分子和生物表面的分子／亚分子 高分辨率的三维图像。 AFM 技术的样品制备简单，甚至无需处理，对样 品破坏性较其他常用技术要小得多。 AFM可以在大气、真空、低温和高温、不同气氛 以及溶液等各种环境下工作 AFM不受样品导电性质的限制，因此已获得比STM 更为广泛的应用。
Typical system & constitution
对微悬臂的要求
Typical system & constitution
对针尖性能的要求
1. 理想针尖的顶端应该是单个原子，这样的针尖 能够灵敏地感应出它与样品表面之间的相互作用 力。 2. 尽可能小的曲率半径。（50~100nm） 3. 高的机械柔软性，针尖扫描时，即使撞击到样 品的表面也不会使针尖损坏。 4. 高的弹性形变，可有效地限制针尖在样品表面 上的作用力，从而减小对样品的损害，对柔软 的生物样品特别有利。 5. 稳定的结构。
原子力显微镜（AFM）简介
袁英杰 2014.4.16
主要内容
1、背景 2、原理 3、典型系统及构造 4、优点 5、缺点 6、相关应用 7、发展
background
扫描隧道显微镜（STM）
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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5.辅助图像
• 在不同模式下进行扫描时，通过记录其他的信号成 像，可以得到形貌图的辅助图像，例如接触模式下 的偏移图（错位信号图）和振幅图，以及轻敲模式 下的相图。
1.偏移图（错位信号图） 在接触模式下，通过记录反射激
光束在PSPD上的即时信号与预设信 号之间的电压差而成像。
Logo
AFM 原子力显微镜简介
讲解人：
Content
•1 •2 •3 •4
AFM探针扫描动图
AFM原理：针尖与表面原子相互作用
接触模式
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
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 非接触模式 • 针尖距样品表面5nm—20nm • 不损伤样品表面，可测试表面柔软样品 • 分辨率低 • 误判的现象
非接触模式
接触模式
4.成像模式
4.3 轻敲模式 • 探针在Z轴维持固定频率振动，当振
精确测量样品的尺寸参数精确测量 样品的尺寸参数
2.工作原理
在原子力显微镜的系统中，是 利用微小探针与待测物之间交 互作用力，来呈现待测物的表 面之物理特性。
2.工作原理
• 将一个对力极为敏感的微悬臂的一端固定，另一端固定针尖 • 当针尖在样品表面扫描时，因针尖尖端原子与样品表面原子
存在的范德华力，使微悬臂产生微小弯曲。 • 检测悬臂弯曲所造成的微小的位移量，得到样品表面信息
2.工作原理
• 隧道电流法：当两侧金属靠近到很小间距时， 两侧金属表面电子云互相重叠产生隧道电流， 电流大小与两侧金属距离有关。灵敏度高,易被 污染
• 光学法 常用
3.仪器介绍
3.仪器介绍
4.成像模式
操作模式
• 接触模式 • 非接触模式 • 轻敲模式
4.成像模式
4.1 接触模式 • 针尖与样品表面距离小，利用原
• 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。
谢谢观看
end
பைடு நூலகம்.辅助图像
2.振幅图 在接触模式下，给微悬臂加上一个小振幅、低
频率的简谐振动后（力调制技术），通过记录微悬 臂振幅的变化而成像。
3. 相图 是与振幅图相类似，
在轻敲模式下，通过记 录高频振动的针尖在接 触样品表面后，振动相 位的变化（滞后）程度 而成像。
6.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）
6.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应用
• 观测样品表面形貌
高分子的片晶和球晶结构
6.AFM应用
• 观测生物样品
λ-DNA
霍乱菌
6.AFM应用
• 表面信息统计分析
插入内容图片
7.AFM的缺陷
• 1.较小的扫描范围，100μm到10nm，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。