第七章 原子力显微镜
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《原子力显微镜》课件
未来发展趋势
未来，原子力显微镜技术将进一步提高分辨率和扫 描速度，并应用于更多领域。
七、参考文献
1 相关学术论文
1. Title 1 2. Title 2 3. Title 3
2 专业书籍
1. Title A 2. Title B 3. Title C
二、工作原理
探针的作用
原子力显微镜使用微小的探针探测物质表面，获得原子级别的高分辨率图像。
检测原理
通过探测器记录探针的弯曲变化，从而推断物体表面的高度和形貌。
显示方法
利用电子信号将探测到的数据转化为高清图像，可实时显示。
三、应用领域
表面形貌和结构分析
原子力显微镜可用于观察材料 表面的形貌和结构，帮助研究 纳米级别的材料。
《原子力显微镜》PPT课 件
本课件将介绍原子力显微镜的工作原理、应用领域和优缺点分析，以及操作 和维护的常见问题解答。
一、前言
什么是原子力显微镜
原子力显微镜是一种高分辨率的显微镜，能够 观测到物质的原子尺度细节。
发展历史
原子力显微镜于1986年由Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明，获得了诺贝尔奖。
原子力显微镜的分辨率可达到纳米级别，扫描范围取决于探针的尺寸和扫描区域。
如何正确操作原子力显微镜
正确操作原子力显微镜需要进行样品制备、参数设置和扫描操作等步骤。
原力显微镜的维护
维护原子力显微镜需要保持清洁，及时更换探针并进行校准。
六、结论
原子力显微镜对科学研究的重要性
原子力显微镜在纳米级别材料研究和生物学研究中 发挥着重要作用。
纳米尺度材料表征
该技术可用于研究纳米颗粒、 纳米管和纳米线等纳米材料的 特性。
原子力显微分析(AFM)
为解决接触式 AFM 可能破坏样品的缺点，
3.2 非接触式成像模式
在非接触模式中，针尖保持在试 样上方数十到数百埃的高度上，通常 以小于 10nm 的振幅在样品表面吸附 的液质薄层上方振动 [ 图 3-10(b)] 。非 接触模式对研究软质和弹性材料很有 利，可用于活性生物样品的现场检测、 对溶液反应进行现场跟踪等。
1. 引言
AFM针尖可作极微小移动，这个性 质 被 用 来 做 “ 纳 操 作 ” (nano manipulation) 。可以用于操纵 ( 拨动)分子、 原子，进行纳米尺度的结构加工和超高 密度信息存储。
和 STM 一样， AFM 实验既可在超高 真空中、也可在大气、溶液以及反应性 气氛等环境中进行。
针尖放大效应不仅会将小的结 构放大，而且还会造成成像的不真实， 特别是在比较陡峭的突起和沟处。
3.4 针尖放大效应
AFM 图像是针尖与样品真实形 貌卷积后的结果，应该采取合适的方 法去卷积，还原表面结构的真实形貌。 对于简单的、规则的体系，多采用几 何方法去卷积，但要真正实现对未知 样品表面的 AFM 图像去卷积十分困 难。
在恒力模式(Constant Force Mode) 是在扫描过程中利用反馈系统精确控 制探针使它随试样表面形貌在 z 方向 上下移动，保持针尖和样品之间的作 用力恒定，即保持微悬臂的变形量不 变。记录探针针头的 z 方向移动值可 得出试样表面形貌。
3.1 接触式成像模式
恒高模式 (Constant Height Mode) 是 在针尖的 x 、 y 扫描过程中保持针尖与试 样间的距离恒定，检测器直接测量微悬 臂z方向的形变量来成试样形貌像。由于 不使用反馈回路，该方式扫描速度高， 从而降低了热漂移效应。但该方式对于 表面起伏较大的样品不适合。
第七章 原子力显微镜分析
①恒力模式：在恒力模式中，反馈系统控制压电陶瓷管，保 持探针同样品作用力不变；恒力模式不但可以用来测量表 面起伏比较大的样品，也可以在原子水平上观测样品。 ②恒高模式：在恒高模式下，保持探针同样品的距离不变。 恒高模式一般只用来观测比较平坦的样品表面。
2.AFM的非接触模式
在这种工作模式下，AFM微悬臂工作在距离样品较远的 地方，一般为，在这样远的距离上二者没有电子云重叠发生， 此时主要是VDW在起作用。由于VDW及VDW的梯度均较小，所 以要采用谐振的办法来检测，即将微悬臂安装在一个压电陶 瓷片上使微悬臂在其谐振频率上振动，当微悬臂上的针尖在 样品表面上作相对扫描时，VDW发生改变，VDW的改变使微悬 臂的运动发生变化，产生“相移”或振幅改变，测得这个 “相移”或振幅改变即可获得VDW梯度，积分后可得VDW。 VDW随着微悬臂上针尖和样品之间的相对运动而变化，将这 种VDW的变化转换为形貌即得样品表面的超微结构或原子分 布图象。
1.3 反馈系统
在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光 检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号， 作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫 描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。
2.光学偏转法检测的原子力显微镜的原理
半导体激光器所发激光经准直聚焦后 照到微悬臂的背 面，微悬臂的背面镀有金膜，相当于一面反射镜，经微悬 臂反射的激光束照到一个二象限光电探测器上。样品固定 在压电陶瓷管上，并一起随压电陶瓷管在扫描电路控制下 沿X，Y方向扫描，并且在Z方向可以伸缩。如果微悬臂探针 同样品间的相互作用使微悬臂在Z方向产生位移，那么反射 束将在二象限光电探测器上移动。在二象限光电探测器中 两个光电管的交界处，光斑的移动同二象限信号的差值有 良好的线性关系，取二象限信号差值作为表面形貌信息。
AFM-原子力显微镜PPT课件
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。
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AFM的组成
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AFM成像原理
原子力显微镜是一种通过研究样品表
面力同距离关系而获得样品表面形貌信 息的显微术。它不使用STM的金属探针， 而使用一个尖端附有探针的极灵敏的弹 簧壁来作为敏感元件，称之为微悬臂。
将微悬臂的一端固定（对微弱力极敏
感），另一端有一微小的针尖，针尖与 样品表面轻轻接触。针尖尖端原子与样 品表面的原子间存在极其微弱的排斥力。 随后可通过以下两种工作模式中的任何 一种得到表面形貌有关的信息，然后经 过计算机采集、处理，最后成像。
为了准确反应出针尖相对于样品表面微弱的力的变化， Cantilever和针尖的制备是十分关键的，是决定AFM灵 敏 度 的 核 心 ， 因 此 AFM 仪 器 的 发 展 过 程 实 际 上 是 Cantilever的不断改进的过程。
Cantilever通常要满足以下条件：（1）较低的力的弹 性系数；（2）高的力学共振频率；（3）高的横向刚性； （4）尽可能短的悬臂长度；（5）Cantilever需要配有 镜面或者电极，使得能通过光学或者隧道电流方法检测其 动态位移；（6）带有一个尽可能尖锐的针尖。
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➢ 可实时地观测表面的三维立体图像，这种实时观测的性能 可用于表面扩散等物理化学过程的监视、检测。
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。
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AFM的组成
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AFM成像原理
原子力显微镜是一种通过研究样品表
面力同距离关系而获得样品表面形貌信 息的显微术。它不使用STM的金属探针， 而使用一个尖端附有探针的极灵敏的弹 簧壁来作为敏感元件，称之为微悬臂。
将微悬臂的一端固定（对微弱力极敏
感），另一端有一微小的针尖，针尖与 样品表面轻轻接触。针尖尖端原子与样 品表面的原子间存在极其微弱的排斥力。 随后可通过以下两种工作模式中的任何 一种得到表面形貌有关的信息，然后经 过计算机采集、处理，最后成像。
为了准确反应出针尖相对于样品表面微弱的力的变化， Cantilever和针尖的制备是十分关键的，是决定AFM灵 敏 度 的 核 心 ， 因 此 AFM 仪 器 的 发 展 过 程 实 际 上 是 Cantilever的不断改进的过程。
Cantilever通常要满足以下条件：（1）较低的力的弹 性系数；（2）高的力学共振频率；（3）高的横向刚性； （4）尽可能短的悬臂长度；（5）Cantilever需要配有 镜面或者电极，使得能通过光学或者隧道电流方法检测其 动态位移；（6）带有一个尽可能尖锐的针尖。
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➢ 可实时地观测表面的三维立体图像，这种实时观测的性能 可用于表面扩散等物理化学过程的监视、检测。
原子力显微镜简介PPT课件
引起该相移的因素很多，如样品的组分、 硬度、粘弹性质等。因此可在纳米尺度上获 得样品表面局域性质的丰富信息。
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AFM的工作环境
原子力显微镜受工作环境限制较少，它可以在超高真空、 气相、液相和电化学的环境下操作。 (1)真空环境：真空环境可以避免大气中杂质和水膜的干扰，但其 操作较复杂。最早的扫描隧道显微镜(STM)研究是在超高真空 下进行操作的。后来，随着AFM的出现，人们开始使用真空 AFM研究固体表面。 (2)气相环境：气相环境中，AFM多受样品表面水膜干扰，但其操 作比较容易，它是广泛采用的一种工作环境。它可以在空气中 研究任何固体表面，不受样品导电性的限制。 (3)液相环境：液相环境中，AFM消除了针尖和样品之间的毛细现 象，因此减少了针尖对样品的总作用力。液相AFM可以在液相 中研究样品的形貌，其应用十分广阔，可用于生物体系、腐蚀 或液固界面的研究。 (4)电化学环境：如超高真空系统一样，电化学系统为AFM提供了 另一种控制环境。电化学AFM是在原有AFM基础上添加了电解 池、双恒电位仪和相应的应用软件。电化学AFM可以现场研究 电极的性质．包括化学和电化学过程诱导的吸附、腐蚀以及有 机和生物分子在电极表面的沉积和形态变化等。
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云母的原子像（接触模式）
DVD光盘表面（接触模式）
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蝴蝶翅膀的AFM成像
云母片上的抗体分子的 AFM成像
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生物样品
λ-DNA
霍乱菌
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纳米加工：
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。
用AFM针尖移动Si原子形成的IBM文字
STM针尖移动原子形成的图形文字
原子力显微镜课件PPT
原子力显微镜的样本可以是生理状态的各种物质, 在大气条件或溶液中都能进行,因而只需很少或不 需对样品作前期处理,这样,就使AFM能观察任何活 的生命样品及动态过程。
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❖加工样品的力行为
测试样品的硬度和弹性等;AFM还能产生和 测量电化学反应。AFM还具有对标本的分 子或原子进行加工的力行为,例如:可搬移原 子，切割染色体，在细胞膜上打孔等等。
这些显微技术都是利用探针与样品的不同相互作用，来探测表 面或界面在纳米尺度上表现出的物理性质和化学性质。
扫描探针显微镜具有三个传统显微镜无法达到的重大突破
➢扫描探针显微镜具有极高度的解析力 ➢扫描探针显微镜具有三维立体的成像能力 ➢扫描探针显微镜可以在多种环境下操作
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• 原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由Binnig与史丹佛大学的Quate 于一 九八五年所发明的
2）非接触扫描成像模式
非接触扫描模式测量时，测量的作用力是以范德华力为主的吸引力，针尖－试件 间距离大致在5～20 nm。
非接触扫描测量模式的主要优点, 是探针和试件不接触，针尖测量时不会使试件 表面变形，适用于弹性模量低的试件，此外因针尖和试件不接触，测量不受毛细力的 影响，同时针尖也不易磨损。但非接触扫描测量模式测量灵敏度要低些。
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3. 原子力显微镜的总体结构组成
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3.2 原子力显微镜的测量和扫描模式
1. AFM检测的要求
探针尖和试件表面非常接近时，二者间的作用力极为复杂，有原子(分子、离子) 间的排斥力(库仑力)、吸引力(范德华力)、磁力、静电力、摩擦力(接触时)、粘附力、 毛细力等。AFM的检测成像用的是原子(分子、离子)间的排斥力(接触测量)或吸引力 (非接触测量)，而其他各种作用力对AFM的检测成像并无帮助，而只是起干扰影响作 用。
第七章原子力显微镜
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下图为使用MFM观察得到的磁光盘表面的磁数据位的磁结构 （凹坑伏）。
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2.静电力显微镜（EFM）
在静电力显微镜（Electron Force Microscopy, EFM）中，针尖和样品起到一个平行的板极电 容器中两块极板的作用。当其在样品表面扫描时， 其振动的振幅受到样品中电荷产生的静电力的影 响。利用这一现象，就可以通过扫描时获得的静 电力图象来研究样品的表面信息。下图为 2.5μmX2.5μm的蓝宝石表面EFM图象，其中左面 一幅图象用排斥力获得，右面一幅图用吸引的静 电力获得。
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例：云母表面的AFM像
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云母表面结构图
扫描范围： 5nm×5nm X方向扫描速度为 30Hz
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光盘表面的AFM图
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扫描范围3.2um×3.2um,
X方向的扫描速度30Hz
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原子搬运
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扫描范围：47nm×24nm 22
红细胞的原子力显微镜形貌图
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二. 特点：
1.AFM（Atomic Force Microscope）是以STM为基础，和 STM为类似技术的扫描探针显微镜，它是通过研究样品表 面与针尖原子间的作用力同距离的关系而获得样品表面 形貌信息的显微术。
2.它不象STM使用金属探针，而是使用一个尖端附有探针的 极灵敏的弹簧臂来作力敏元件，称之为微悬臂。当微悬 臂接近样品表面时，探针和样品表面原子力将产生相互 作用。
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几种其它扫描探针显微镜
1.磁力显微镜（MFM）
原子力显微镜
原子力显微镜1 简介编辑本段生物型原子力显微镜它主要由带针尖的微悬臂、微悬臂运动检测装置、监控其运动的反馈回路、使样品进行扫描的压电陶瓷扫描器件、计算机控制的图像采集、显示及处理系统组成。
微悬臂运动可用如隧道电流检测等电学方法或光束偏转法、干涉法等光学方法检测，当针尖与样品充分接近相互之间存在短程相互斥力时，检测该斥力可获得表面原子级分辨图像，一般情况下分辨率也在纳米级水平。
AFM测量对样品无特殊要求，可测量固体表面、吸附体系等。
2 原理编辑本段2.1 概括原子力显微镜（atomic force microscope，简称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。
由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不足。
原子力显微镜是由IBM公司苏黎世研究中心的格尔德·宾宁与斯坦福大学的Calvin 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类似扫描探针显微镜（SPM）的观测方法。
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穿效应，而是检测原子之间的接触，原子键合，范德瓦耳斯力或卡西米尔效应等来呈现样品的表面特性。
2.2 详细图1. 激光检测原子力显微镜探针工作示意图原子力显微镜的基本原理是：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。
利用光学检测法或隧道电流检测法，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。
下面，我们以激光检测原子力显微镜（Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection,Laser-AFM）——扫描探针显微镜家族中最常用的一种为例，来详细说明其工作原理。
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电子探针分析之二
第七章
原子力显微镜
一.引言
由于扫描隧道显微镜只能观察导体和半导体的表面结构， 对于非导电材料必须在其表面覆盖一层导电膜。导电膜的存 在往往掩盖了样品的表面结构的细节。为了弥补扫描隧道显 微镜的这一不足，1986年Binnig、Quate和Gerber发明了第一 台原子力显微镜（AFM）。 原子力显微镜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，针尖与样品的表面轻轻接触， 由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的作用力 （斥力10-8～10-6N或范德瓦尔斯力），通过扫描时控制这种力 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 光学检测法和隧道电流检测法，可以测得微悬臂对应于扫描 各点的位置变化，从而可以获得样品的表面形貌信息。
5.扫描热显微镜
扫描热显微镜用于探测样品表面的热量散失，可测 出样品表面温度在几十微米尺度上小于万分之一度的变 化。扫描热显微镜的探针是一根表面覆盖有镍层的钨丝， 镍层与钨丝之间是绝缘体，在尖端二者相连，这一钨/ 镍接点起热电偶的作用。探针稳定到样品表面后，向结 点通直流电加热，针尖的温度稳定下来时要比周围环境 温度高。由于样品是固体，导热性能比空气好，所以当 加热后的针尖向样品表面靠近时，针尖的热量向样品流 失使针尖的温度下降。通过反馈回路调节针尖与样品间 距，从而控制恒温扫描，和获得样品表面起伏的状况。 右图为用扫描热显微镜获得的在玻璃基底上的红细胞表 面轮廓。
三.AFM 操作模式
1.接触式 (contact mode)
2.非接触式 (non-contact mode)（亦即 VDW 模式） 3.轻敲式 (tapping mode or intermittent contact mode) 4.相移模式
1.接触模式
将一个对微弱力极敏感的微悬臂的一端固定，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（10-8～10-6N），由 于样品表面起伏不平而使探针带动微悬臂弯曲变化，而微悬 臂的弯曲又使得光路发生变化，使得反射到激光位置检测器 上的激光光点上下移动，检测器将光点位移信号转换成电信 号并经过放大处理，由表面形貌引起的微悬臂形变量大小是 通过计算激光束在检测器四个象限中的强度差值（A+B）（C+D）得到的。将这个代表微悬臂弯曲的形变信号反馈至电 子控制器驱动的压电扫描器，调节垂直方向的电压，使扫描 器在垂直方向上伸长或缩短，从而调整针尖与样品之间的距 离，使微悬臂弯曲的形变量在水平方向扫描过程中维持一定， 也就是使探针－样品间的作用力保持一定。在此反馈机制下， 记录在垂直方向上扫描器的位移，探针在样品的表面扫描得 到完整图像之形貌变化，这就是接触模式。
1.3 反馈系统
在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光 检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号， 作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫 描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。
2.光学偏转法检测的原子力显微镜的原理
半导体激光器所发激光经准直聚焦后 照到微悬臂的背 面，微悬臂的背面镀有金膜，相当于一面反射镜，经微悬 臂反射的激光束照到一个二象限光电探测器上。样品固定 在压电陶瓷管上，并一起随压电陶瓷管在扫描电路控制下 沿X，Y方向扫描，并且在Z方向可以伸缩。如果微悬臂探针 同样品间的相互作用使微悬臂在Z方向产生位移，那么反射 束将在二象限光电探测器上移动。在二象限光电探测器中 两个光电管的交界处，光斑的移动同二象限信号的差值有 良好的线性关系，取二象限信号差值作为表面形貌信息。
（二）光学偏转法检测的原子力显微镜
1.结构原理图：
右图为激光 偏转检测法示意 图，其结构组成 分为三个部分： 力检测部分、 位置检测部分、 反馈系统。
微悬臂通常由一 个一般100～500μm 长和大约500nm～ 5μm厚的硅片或氮化 硅片制成。
1.1 力检测部分
在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的力是原 子与原子之间的斥力或范德华力。所以在本系统中是使用微 小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变化量。微悬臂 通常由一个一般 100～500μm 长和大约 500nm～5μm 厚的 硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检 测样品－针尖间的相互作用力。这微小悬臂有一定的规格， 例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格 的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不 同类型的探针。 右图是一典型的 AFM悬臂和针尖
下图为使用MFM观察得到的磁光盘表面的磁数据位的磁结构 （凹坑伏）。
2.静电力显微镜（EFM）
在静电力显微镜（Electron Force Microscopy, EFM ）中，针尖和样品起到一个平行的板极电 容器中两块极板的作用。当其在样品表面扫描时， 其振动的振幅受到样品中电荷产生的静电力的影 响。利用这一现象，就可以通过扫描时获得的静 电力图象来研究样品的表面信息。下图为 2.5μmX2.5μm的蓝宝石表面EFM图象，其中左面 一幅图象用排斥力获得，右面一幅图用吸引的静 电力获得。
例：云母表面的AFM像
云母表面结构图
扫描范围： 5nm×5nm X方向扫描速度为 30Hz
光盘表面的AFM图
扫描范围3.2um×3.2um, X方向的扫描速度30Hz
原子搬运
扫描范围：47nm×24nm
红细胞的原子力显微镜形貌图
几种其它扫描探针显微镜
1.磁力显微镜（MFM）
磁力显微镜（ Magnetic Force Microscopy,MFM ） 也是使用一种受迫振动的探针来扫描样品表面，所不同 的是这种探针是沿着其长度方向磁化了的镍探针或铁探 针。当这一振动探针接近一块磁性样品时，探针尖端就 会像一个条状磁铁的北极和南极那样，与样品中磁畴相 互作用而感受到磁力，并使其共振频率发生变化，从而 改变其振幅。这样检测探针尖端的运动，就可以进而得 到样品表面的磁特性。
3.弹道电子发射显微术（BEEM）
弹道电子发射显微镜是在扫描隧道显微镜的 基础上发展起来的，它所用的样品是由金属 /半 导体或半导体/半导体构成的肖特基势垒异质结。 当针尖被调节到接近异质结表面时通过真空隧 道效应，针尖向金属 /半导体发射弹道电子。通 过观察针尖扫描时各点的基极-收集极电流Ic和Z 电压Vz，可以直接得到表面下界面结构的三维图 象和表面形貌。右图为 Au/GaAs(100) 肖特基势 垒结构的STM形貌象（上）和 BEEM象（下），二 者是同时采集的。
3.轻敲模式
用一个小压电陶瓷元件驱动微悬臂振动，其振动频率恰好高于探针的 最低机械共振频率（～50kHz）。由于探针的振动频率接近其共振频率， 因此它能对驱动信号起放大作用。当把这种受迫振动的探针调节到样品表 面时（通常2～20nm），探针与样品表面之间会产生微弱的吸引力。这种 吸引力会使探针的共振频率降低，驱动频率和共振频率的差距增大，探针 尖端的振幅减少。这种振幅的变化可以用激光检测法探测出来，据此可推 出样品表面的起伏变化。 当探针经过表面隆起部位时，这些地方吸引力最强，其振幅变小；而 经过表面凹陷处时，其振幅增大，反馈装置根据探针尖端振动情况的变化 而改变加在Z轴压电陶瓷上的电压，从而使振幅（也就是使探针与样品表 面的间距）保持恒定。同STM和接触模式AFM一样，用Z驱动电压的变化来 表征样品表面的起伏图像。 在该模式下，扫描成像时针尖对样品进行“敲击”，两者间只有瞬间 接触，克服了传统接触模式下因针尖被拖过样品而受到摩擦力、粘附力、 静电力等的影响，并有效的克服了扫描过程中针尖划伤样品的缺点，适合 于柔软或吸附样品的检测，特别适合检测有生命的生物样品。
原子间范德瓦尔斯力和距离的关系
三. AFM 的结构及工作原理
在AFM工作时，探针尖端的原子同样品表面的原子将 产生相互作用，该相互作用使微悬臂发生形变或使其运 动发生变化，这一变化可使用电学或光学的办法探测出 来，变化的大小反映相互作用的大小。
（一）隧道电流法检测的原子力显微镜
图6-1为使用隧道电流检测的原子力显微镜结构原理 示意图。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 1.2 位置检测部分
在原子力显微镜（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cantilever摆动，所以当 激光照射在微悬臂的末端时，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。 右图是激光位置检测器的示意图。 聚焦到微悬臂上面的激光反射到激光位 置检测器，通过对落在检测器四个象限 的光强进行计算，可以得到由于表面形 貌引起的微悬臂形变量大小，从而得到 样品表面的不同信息。
①恒力模式：在恒力模式中，反馈系统控制压电陶瓷管，保 持探针同样品作用力不变；恒力模式不但可以用来测量表 面起伏比较大的样品，也可以在原子水平上观测样品。 ②恒高模式：在恒高模式下，保持探针同样品的距离不变。 恒高模式一般只用来观测比较平坦的样品表面。
2.AFM的非接触模式
在这种工作模式下，AFM微悬臂工作在距离样品较远的 地方，一般为，在这样远的距离上二者没有电子云重叠发生， 此时主要是VDW在起作用。由于VDW及VDW的梯度均较小，所 以要采用谐振的办法来检测，即将微悬臂安装在一个压电陶 瓷片上使微悬臂在其谐振频率上振动，当微悬臂上的针尖在 样品表面上作相对扫描时，VDW发生改变，VDW的改变使微悬 臂的运动发生变化，产生“相移”或振幅改变，测得这个 “相移”或振幅改变即可获得VDW梯度，积分后可得VDW。 VDW随着微悬臂上针尖和样品之间的相对运动而变化，将这 种VDW的变化转换为形貌即得样品表面的超微结构或原子分 布图象。
1. 结构组成
主要由探头、扫描装置、计算机及显示终端等几部分 组成。 （1）探头：包括微悬臂、隧道电流探针、样品室、机械调 整装置和压电陶瓷管等。 （2）扫描装置：一般有两种扫描方式，一种为恒流模式； 另一种为恒高模式。 （3）计算机处理及显示终端。
第七章
原子力显微镜
一.引言
由于扫描隧道显微镜只能观察导体和半导体的表面结构， 对于非导电材料必须在其表面覆盖一层导电膜。导电膜的存 在往往掩盖了样品的表面结构的细节。为了弥补扫描隧道显 微镜的这一不足，1986年Binnig、Quate和Gerber发明了第一 台原子力显微镜（AFM）。 原子力显微镜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，针尖与样品的表面轻轻接触， 由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的作用力 （斥力10-8～10-6N或范德瓦尔斯力），通过扫描时控制这种力 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 光学检测法和隧道电流检测法，可以测得微悬臂对应于扫描 各点的位置变化，从而可以获得样品的表面形貌信息。
5.扫描热显微镜
扫描热显微镜用于探测样品表面的热量散失，可测 出样品表面温度在几十微米尺度上小于万分之一度的变 化。扫描热显微镜的探针是一根表面覆盖有镍层的钨丝， 镍层与钨丝之间是绝缘体，在尖端二者相连，这一钨/ 镍接点起热电偶的作用。探针稳定到样品表面后，向结 点通直流电加热，针尖的温度稳定下来时要比周围环境 温度高。由于样品是固体，导热性能比空气好，所以当 加热后的针尖向样品表面靠近时，针尖的热量向样品流 失使针尖的温度下降。通过反馈回路调节针尖与样品间 距，从而控制恒温扫描，和获得样品表面起伏的状况。 右图为用扫描热显微镜获得的在玻璃基底上的红细胞表 面轮廓。
三.AFM 操作模式
1.接触式 (contact mode)
2.非接触式 (non-contact mode)（亦即 VDW 模式） 3.轻敲式 (tapping mode or intermittent contact mode) 4.相移模式
1.接触模式
将一个对微弱力极敏感的微悬臂的一端固定，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（10-8～10-6N），由 于样品表面起伏不平而使探针带动微悬臂弯曲变化，而微悬 臂的弯曲又使得光路发生变化，使得反射到激光位置检测器 上的激光光点上下移动，检测器将光点位移信号转换成电信 号并经过放大处理，由表面形貌引起的微悬臂形变量大小是 通过计算激光束在检测器四个象限中的强度差值（A+B）（C+D）得到的。将这个代表微悬臂弯曲的形变信号反馈至电 子控制器驱动的压电扫描器，调节垂直方向的电压，使扫描 器在垂直方向上伸长或缩短，从而调整针尖与样品之间的距 离，使微悬臂弯曲的形变量在水平方向扫描过程中维持一定， 也就是使探针－样品间的作用力保持一定。在此反馈机制下， 记录在垂直方向上扫描器的位移，探针在样品的表面扫描得 到完整图像之形貌变化，这就是接触模式。
1.3 反馈系统
在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光 检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号， 作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫 描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。
2.光学偏转法检测的原子力显微镜的原理
半导体激光器所发激光经准直聚焦后 照到微悬臂的背 面，微悬臂的背面镀有金膜，相当于一面反射镜，经微悬 臂反射的激光束照到一个二象限光电探测器上。样品固定 在压电陶瓷管上，并一起随压电陶瓷管在扫描电路控制下 沿X，Y方向扫描，并且在Z方向可以伸缩。如果微悬臂探针 同样品间的相互作用使微悬臂在Z方向产生位移，那么反射 束将在二象限光电探测器上移动。在二象限光电探测器中 两个光电管的交界处，光斑的移动同二象限信号的差值有 良好的线性关系，取二象限信号差值作为表面形貌信息。
（二）光学偏转法检测的原子力显微镜
1.结构原理图：
右图为激光 偏转检测法示意 图，其结构组成 分为三个部分： 力检测部分、 位置检测部分、 反馈系统。
微悬臂通常由一 个一般100～500μm 长和大约500nm～ 5μm厚的硅片或氮化 硅片制成。
1.1 力检测部分
在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的力是原 子与原子之间的斥力或范德华力。所以在本系统中是使用微 小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变化量。微悬臂 通常由一个一般 100～500μm 长和大约 500nm～5μm 厚的 硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检 测样品－针尖间的相互作用力。这微小悬臂有一定的规格， 例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格 的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不 同类型的探针。 右图是一典型的 AFM悬臂和针尖
下图为使用MFM观察得到的磁光盘表面的磁数据位的磁结构 （凹坑伏）。
2.静电力显微镜（EFM）
在静电力显微镜（Electron Force Microscopy, EFM ）中，针尖和样品起到一个平行的板极电 容器中两块极板的作用。当其在样品表面扫描时， 其振动的振幅受到样品中电荷产生的静电力的影 响。利用这一现象，就可以通过扫描时获得的静 电力图象来研究样品的表面信息。下图为 2.5μmX2.5μm的蓝宝石表面EFM图象，其中左面 一幅图象用排斥力获得，右面一幅图用吸引的静 电力获得。
例：云母表面的AFM像
云母表面结构图
扫描范围： 5nm×5nm X方向扫描速度为 30Hz
光盘表面的AFM图
扫描范围3.2um×3.2um, X方向的扫描速度30Hz
原子搬运
扫描范围：47nm×24nm
红细胞的原子力显微镜形貌图
几种其它扫描探针显微镜
1.磁力显微镜（MFM）
磁力显微镜（ Magnetic Force Microscopy,MFM ） 也是使用一种受迫振动的探针来扫描样品表面，所不同 的是这种探针是沿着其长度方向磁化了的镍探针或铁探 针。当这一振动探针接近一块磁性样品时，探针尖端就 会像一个条状磁铁的北极和南极那样，与样品中磁畴相 互作用而感受到磁力，并使其共振频率发生变化，从而 改变其振幅。这样检测探针尖端的运动，就可以进而得 到样品表面的磁特性。
3.弹道电子发射显微术（BEEM）
弹道电子发射显微镜是在扫描隧道显微镜的 基础上发展起来的，它所用的样品是由金属 /半 导体或半导体/半导体构成的肖特基势垒异质结。 当针尖被调节到接近异质结表面时通过真空隧 道效应，针尖向金属 /半导体发射弹道电子。通 过观察针尖扫描时各点的基极-收集极电流Ic和Z 电压Vz，可以直接得到表面下界面结构的三维图 象和表面形貌。右图为 Au/GaAs(100) 肖特基势 垒结构的STM形貌象（上）和 BEEM象（下），二 者是同时采集的。
3.轻敲模式
用一个小压电陶瓷元件驱动微悬臂振动，其振动频率恰好高于探针的 最低机械共振频率（～50kHz）。由于探针的振动频率接近其共振频率， 因此它能对驱动信号起放大作用。当把这种受迫振动的探针调节到样品表 面时（通常2～20nm），探针与样品表面之间会产生微弱的吸引力。这种 吸引力会使探针的共振频率降低，驱动频率和共振频率的差距增大，探针 尖端的振幅减少。这种振幅的变化可以用激光检测法探测出来，据此可推 出样品表面的起伏变化。 当探针经过表面隆起部位时，这些地方吸引力最强，其振幅变小；而 经过表面凹陷处时，其振幅增大，反馈装置根据探针尖端振动情况的变化 而改变加在Z轴压电陶瓷上的电压，从而使振幅（也就是使探针与样品表 面的间距）保持恒定。同STM和接触模式AFM一样，用Z驱动电压的变化来 表征样品表面的起伏图像。 在该模式下，扫描成像时针尖对样品进行“敲击”，两者间只有瞬间 接触，克服了传统接触模式下因针尖被拖过样品而受到摩擦力、粘附力、 静电力等的影响，并有效的克服了扫描过程中针尖划伤样品的缺点，适合 于柔软或吸附样品的检测，特别适合检测有生命的生物样品。
原子间范德瓦尔斯力和距离的关系
三. AFM 的结构及工作原理
在AFM工作时，探针尖端的原子同样品表面的原子将 产生相互作用，该相互作用使微悬臂发生形变或使其运 动发生变化，这一变化可使用电学或光学的办法探测出 来，变化的大小反映相互作用的大小。
（一）隧道电流法检测的原子力显微镜
图6-1为使用隧道电流检测的原子力显微镜结构原理 示意图。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 1.2 位置检测部分
在原子力显微镜（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cantilever摆动，所以当 激光照射在微悬臂的末端时，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。 右图是激光位置检测器的示意图。 聚焦到微悬臂上面的激光反射到激光位 置检测器，通过对落在检测器四个象限 的光强进行计算，可以得到由于表面形 貌引起的微悬臂形变量大小，从而得到 样品表面的不同信息。
①恒力模式：在恒力模式中，反馈系统控制压电陶瓷管，保 持探针同样品作用力不变；恒力模式不但可以用来测量表 面起伏比较大的样品，也可以在原子水平上观测样品。 ②恒高模式：在恒高模式下，保持探针同样品的距离不变。 恒高模式一般只用来观测比较平坦的样品表面。
2.AFM的非接触模式
在这种工作模式下，AFM微悬臂工作在距离样品较远的 地方，一般为，在这样远的距离上二者没有电子云重叠发生， 此时主要是VDW在起作用。由于VDW及VDW的梯度均较小，所 以要采用谐振的办法来检测，即将微悬臂安装在一个压电陶 瓷片上使微悬臂在其谐振频率上振动，当微悬臂上的针尖在 样品表面上作相对扫描时，VDW发生改变，VDW的改变使微悬 臂的运动发生变化，产生“相移”或振幅改变，测得这个 “相移”或振幅改变即可获得VDW梯度，积分后可得VDW。 VDW随着微悬臂上针尖和样品之间的相对运动而变化，将这 种VDW的变化转换为形貌即得样品表面的超微结构或原子分 布图象。
1. 结构组成
主要由探头、扫描装置、计算机及显示终端等几部分 组成。 （1）探头：包括微悬臂、隧道电流探针、样品室、机械调 整装置和压电陶瓷管等。 （2）扫描装置：一般有两种扫描方式，一种为恒流模式； 另一种为恒高模式。 （3）计算机处理及显示终端。