BRUKER原子力显微镜探针 简介
布鲁克原子力显微镜
e.g. Rtip=2nm
Lateral Resolution: <<2nm
Lateral Resolution: ~2nm
Some factors that can further affect achievable lateral resolution:
• • •
Vertical:
Moisture layer on the surface (in air) Ionic screening charges (in fluid) Tip engage robustness (AFM’s ability to preserve the tip during engage)
Simplified Sample prep on many substrates; capacity for industrial applications (e.g. wafer level screening)
(*)
Based on Bruker’s proprietary PeakForce™ Tapping
Johannes.Kindt@
• • • • •
•
Comparison EM / AFM
TEM Principle Resolution Max. Field of view Field Depth Material contrast Environments Speed (hi res scan) Sample prep AFM-strengths: El. Shadowing, diffraction <0.1nm 10s of um Samp.Th. 100nm Density High Vacuum < 1 min <100nm thick
原子力显微镜
2. AFM工作时针尖－试件间的相互作用力
1）相互排斥的库仑力和相互吸引的范德华力
（1）原子间的排斥力 原子（分子）间的排斥力是由于原子外
面的电子云相互排斥而产生的，原子间的排 斥 力 是 很 强 的 ， 在 AFM 测 量 时 排 斥 力 在 10 － 8～10－11N数量级，是短程的相互作用力，作 用距离在10－10m，随距离增加排斥力迅速衰
水下Au(111)的AFM图像(Manne,1990) 原子分辨率的起伏幅度约1 Å。
DNA的AFM图像(Digital Instruments)
3. 5 影响AFM测量精度的若干问题分析
1. 探针作用力引起的试件表面变形 2. 微悬臂对测量结果的影响
k [ 1 1 1 1 ]1 kc kt kg ks
3）AFM测量时利用的相互作用力 在接触测量时，检测的是它们间的相互排斥力； 在非接触测量时，检测的是它们间的相互吸引力
4）针尖－试件间其他作用力及其应用于各种扫描力显微镜
针尖－试件间相互作用的磁力，可制成检测材料磁性能的磁力显微镜(MFM)； 针尖－试件间相互作用的静电力，可制成检测材料表面电场电势的静电力显微镜 (EFM)； 探针－试件接触滑行时的摩擦力，可制成研究材料摩擦磨损行为的摩擦力显微镜 (FFM)；
z
1
ki kc
h
故在恒力测量模式时，测出的试件廓形高低, 大于 真实的高低，即测量结果在垂直方向有放大作用， 造成测量廓形的误差
3)在AFM测量时, 针尖的预置力越大，纵向测量结果的放大作用也越大，即纵 向畸变也增大。为减小测量误差，应尽量采用小的针尖预置力。
4) AFM测量结果的纵向放大量（畸变）和微悬臂的刚度有关。在采用等间隙 测量模式时，从式中可看，采用刚度kc较低的微悬臂较为有利，可以减小纵 向测量误差。但如采用恒力测量模式时，为减小纵向测量误差, 应采用刚度较 高的微悬臂，这和采用等间隙测量模式时正好相矛盾。因此可知，微悬臂刚 度的选择和AFM的测量模式有关。
原子力显微镜测量高分子纳米材料力学性能探针选择的研究
原子力显微镜测量高分子纳米材料力学性能探针选择的研究张慧;董彬【摘要】In this paper ,we studied the influence of the polymer single crystal thickness and the tip spring constant (k) on the test results of the mechanical measurement using the atomic force microscopy . The experiment shows that the substrate has a great influence when the sample is too thin ,and when the tip spring constant(k) is low ,the mechanical property is lower than the true value .A appropriate k can make the measure results more close to its true value .%以高分子单晶为测试样本，主要研究了利用原子力显微镜（A FM ）对高分子纳米材料进行力学性能测试时样本的厚度和探针的弹性系数（k ）对其测试结果的影响。
结果表明测试的样本厚度比较低时测试结果受基底影响较大；在样本确定足够厚度的前提下，探针采用k值过小的探针得到的测试值偏低，采用合适k值的探针才能得到较接近真实值得测试结果。
【期刊名称】《分析仪器》【年(卷),期】2016(000)002【总页数】4页(P69-72)【关键词】原子力显微镜;探针;杨氏模量;高分子单晶【作者】张慧;董彬【作者单位】苏州大学分析测试中心，苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州 215123【正文语种】中文原子力显微镜(AFM)现在已经成为表征材料的表面形貌的一种重要手段。
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。
布鲁克 icon 原子力显微镜 力曲线 参数设置
一、布鲁克 icon 原子力显微镜简介布鲁克 icon 原子力显微镜是一种高级显微镜，能够以原子尺度来观察物质的表面形貌和性质。
它可以实现对样品表面的高分辨率成像、力曲线测量和参数设置等功能，广泛应用于材料科学、纳米科技、生物医学等领域。
二、布鲁克 icon 原子力显微镜的工作原理介绍1. 原子力显微镜的成像原理布鲁克 icon 原子力显微镜采用探针与样品交互产生微小力的原理进行成像。
当探针与样品表面接近时，原子间作用力将导致探针的运动，根据探针的运动情况，可获得样品表面的形貌信息。
2. 力曲线测量原理布鲁克 icon 原子力显微镜能够通过探测探针的纵向位移，获得样品表面的硬度、粘附力等力学性质参数。
实现对样品表面性质的定量测量。
3. 参数设置原理在布鲁克 icon 原子力显微镜的实验中，参数设置十分重要。
包括扫描速度、扫描范围、探针硬度等参数的设置，直接影响着成像效果和力曲线测量结果的准确性。
三、布鲁克 icon 原子力显微镜的力曲线测量1. 力曲线测量的意义力曲线测量是原子力显微镜中的一项重要功能，它能够通过探针对样品表面施加的微小压力，产生探针与样品间的力曲线图，从而获得样品表面的力学性质参数。
2. 力曲线测量的步骤力曲线测量一般包括探针落下、接触样品、施加压力、撤离样品等步骤。
在实际操作中，需要设置好相关参数，确保力曲线测量的准确性。
3. 力曲线测量的应用布鲁克 icon 原子力显微镜的力曲线测量广泛应用于材料科学、纳米科技等领域，能够研究样品表面的硬度、粘附力、弹性模量等重要参数，为材料性能研究提供了重要依据。
四、布鲁克 icon 原子力显微镜的参数设置1. 扫描速度的设置扫描速度是原子力显微镜中重要的参数之一，它直接影响着成像的分辨率。
合理的扫描速度能够确保成像效果清晰，同时也能够提高工作效率。
2. 扫描范围的设置扫描范围是指探针在样品表面移动的范围，合理的扫描范围能够确保对样品表面的全面观察，同时也能够避免对样品的损伤。
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）
Bruker公司原子力显微镜(AFM)工作原理及发展历史
Cantilever Holders
Various Cantilever holders for the MultiMode SPM
Basic Components of SPM - Dimension Icon SPM
Input and Display Equipment
Computer
Controllers
The probe microscope scanners are made of piezoelectric materials. Piezoelectric materials change their sizes in an external electric field.
The piezoceramics is polarized polycrystalline material obtained by powder sintering from crystal ferroelectrics.
Tubular Piezoelement
Advantage: Allowing obtaining large enough movements with rather small control voltages.
The relative longitudinal deformation under the influence of a radial electric field can be written as:
where l0 is the length of the unstressed tube. The absolute lengthening of the piezo-tube is :
where h is the thickness of the tube wall, V is the potential difference between internal and external electrodes. Thus, for the same applied voltage, the tube lengthening will be larger, for longer and thinner tubes.
原子力显微镜简介
蝴蝶翅膀的AFM成像
云母片上的抗体分子的 AFM成像
生物样品
λ -DNA
霍乱菌
遭疟疾感染的人体红血球和蓝藻
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
3、检测系统
获得样品表面形貌是通过检测微悬臂位 置的变化而实现的。检测微悬臂位置变化的 主要方法有：
激光反射检测法 隧道电流检射检测法 激光器发出的激光束经过 光学系统聚焦在微悬臂背 面，并从微悬臂背面反射 到由光电二极管构成的光 斑位置检测器。 在扫描样品时，随着样品 表面的原子与微悬臂探针 尖端的原子间的作用力的 变化，微悬臂将随样品表 面形貌变化而上下起伏， 反射光束也将随之偏移， 将光斑位置转化为电信号 后，再经计算机处理就能 反映出样品表面的形貌。
AFM相关的显微镜及技术
AFM能被广泛应用的一个重要原因是它具有开放性。 在AFM基本操作系统基础上，通过改变探针、成 像模式或针尖与样品间的作用力就可以测量样品的 多种性质．下面是一些与AFM相关的显微镜和技术：
1.侧向力显微镜(LFM) 2.磁力显微镜(MFM) 3.静电力显微镜(EFM) 4.化学力显微镜(CFM) 5.相检测显微镜(PHD) 6.纳米压痕技术(nanoindentation) 7.纳米加工技术(nanolithography)
Bruker 原子力显微镜（Dimension Icon AFM）
AFM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，成为各种纳米 相关学科研究的基本工具。
AFM的基本原理
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 的范德华力作 用来呈现样品 的表面特性。
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布鲁克原子力显微镜探针布鲁克AXS，是布鲁克(Bruker)股份公司（NASDAQ：BRKR）中的运营公司，拥有全球性的市场，是从事扫描探针显微镜（Scanning probe microscopes，SPMs）和原子力显微镜（atomic force microscopes，AFMs）的技术领导者。
Bruker AXS专业致力于分析仪器的研发与生产，产品应用于生命科学、材料研究、新型软件开发及应用、结构及表面解析等领域。
不断创新的产品为各行各业的用户带来技术领先和技术进步，用户遍及重工业、化学、药物、半导体、太阳能、生命科学、纳米技术及学术研究等领域，并致力于促进其科技进步及加速工业发展。
布鲁克公司是全球唯一一家既能生产AFM/SPM设备又能生产探针的厂商。
作为全球最大的探针用户之一，我们深刻理解每个单独的组件对于一套高性能AFM系统的价值。
先进的生产工艺，专业的AFM领域背景，得天独厚的生产装备，赋予探针制造众多的优势，确保在最广泛的应用领域中提供最完整的AFM解决方案。
布鲁克AFM探针制造中心特征：•100间无尘室•先进的设计、制造工序及制造工具•内部的探针设计团队与AFM科学家及工程师通力合作，配合紧密•训练有素的生产团队，制造出各种型号的探针•全面的质量管理体系，确保探针性能行业领先在实验中，用户所得到的数据取决于探针的质量及探针的重复性。
布鲁克的探针具有严格的纳米加工控制，全面的质量测试，和AFM领域的专业背景。
所以用户尽可放心，我们的探针不仅为您当前的应用提供所需的结果，同时也能为将来的研究提供参考数据。
原子力显微镜性能及技术领导者布鲁克的原子力显微镜(AFMs)广泛应用于生命科学、材料科学、半导体、电化学等领域的纳米技术研究开发。
布鲁克目前已开发了拥有专利的各种产品套件，以实际应用为导向，能提供无以伦比的精确度及分辨率，各种价位可供选择。
经过几十年的不断创新和设计优化，布鲁克的AFM系统能为用户提供更加简单易掌握的技术。
布鲁克公司的AFMs，探针，及配件具有PeakForce QNM®、ScanAsyst®和PeakForce®Tapping等专利技术，超过20种成像模式，以其卓越的性能广泛应用于科研和工业界各领域，能有效地增加产能，帮助用户更加方便快捷地获取量化的数据结果。
布鲁克公司以其独特的生产装备能为用户的特殊应用量身定做，提供完整的、高性能的解决方案。
无以伦比的本地化应用及技术专员会在使用的过程中一直协助用户，从产品、探针及配件选择，到应用支持和下一代技术更新。
布鲁克公司发展简史：1992—轻敲模式及AFM液态中成像1994—闭环SPM—第一台用于生命科学的AFM(BioScope™)1995—相位成像模式及抬高模式1999—电学应用模块2000—加快10倍成像2001—高温聚合物成像2002—用于力谱的原子力显微镜(PicoForce)2003—扭转共振模式(TR-Mode™)2006—单谐波成像2008—HarmoniX®实时材料属性的映射2009—峰值力轻敲模式—定量纳米力学性能测试模式—智能成像模式2010—峰值力隧道电流纳米级量化表征2011—全球速度最快的高分辨率原子力显微镜(Dimension FastScan™)—高速，原子力显微镜自动优化成像模式(ScanAsyst-HR)—IRIS™AFM-拉曼一体化硅探针力调制模式力调制中的对比取决于悬臂的弹性系数，必须为两种对比材料的柔软度的互补。
弹性系数应该接近其中一种材料或介于两种材料的柔软度之间。
这种情况下，针尖会缩进到其中一种材料中，从而提供很好的力调制成像对比。
这些用于力调制的悬臂具有适中的弹性系数，能为力调制成像提供一个很好的始点。
型号套装规格参数包装（根/盒）针尖曲率半径(nm)FESP非套装 2.8N/m,75kHz,No Coating108FESP-MT Caliber 2.8N/m,75kHz,No Coating108FESPW非套装 2.8N/m,75kHz,No Coating3758FESPA非套装 2.8N/m,75kHz,Al Reflective Coating108FESPAW非套装 2.8N/m,75kHz,Al Reflective Coating3758FMV非套装 2.8N/m,75kHz,No Coating1010FMV-W非套装 2.8N/m,75kHz,No Coating37510硅探针轻敲模式布鲁克公司的蚀刻硅探针产线是非接触模式及轻敲模式成像的行业标准。
严格的规范控制，无以伦比的敏感度，以及可靠的针尖尖度，都有助于稳定精确、高分辨率的成像。
LTESP及NCLV具有稍长的悬臂和稍低的共振频率。
型号套装规格参数包装（根/盒）针尖曲率半径(nm)LTESP非套装48N/m,190kHz,No Coating108 LTESP-MT Caliber48N/m,190kHz,No Coating108 LTESPW非套装48N/m,190kHz,No Coating3758 NCHV非套装42N/m,320kHz,No Coating1010 NCHV-W非套装42N/m,320kHz,No Coating37510 NCHV-A非套装42N/m,320kHz,Al Reflective Coating1010 NCHV-AW非套装42N/m,320kHz,Al Reflective Coating37510NCLV非套装48N/m,190kHz,No Coating1010NCLV-W非套装48N/m,190kHz,No Coating37510TESP非套装42N/m,320kHz,No Coating108TESP-MT Caliber42N/m,320kHz,No Coating108TESPW非套装42N/m,320kHz,No Coating3758TESPA非套装42N/m,320kHz,Al Reflective Coating108TESPAW非套装42N/m,320kHz,Al Reflective Coating3758硅探针轻敲MPP–旋转悬臂轻敲MPP–旋转悬臂设计用于非接触模式或轻敲模式的高分辨率成像。
这些探针与标准Multi MPP探针的针尖尖度及悬臂几何度相同；拥有180度旋转针尖，相比标准针尖而言，在超过200nm范围内能提供更加均衡的特征表示。
布鲁克的旗舰MPP探针旋转版，是高灵敏硅探针成像的绝佳选择。
型号套装规格参数包装（根/盒）针尖曲率半径(nm)MPP-11100-10非套装40N/m,300kHz,Rotated Tip,No Coating108MPP-11100-W非套装40N/m,300kHz,Rotated Tip,No Coating3758MPP-11120-10非套装40N/m,300kHz,Rotated Tip,Al Reflective Coating108MPP-11120-W非套装40N/m,300kHz,Rotated Tip,Al Reflective Coating3758MPP-11123-10Innova40N/m,300kHz,Rotated Tip,Al Reflective Coating108MPP-12100-10非套装5N/m,150kHz,Rotated Tip,No Coating108MPP-12100-W非套装5N/m,150kHz,Rotated Tip,No Coating3758MPP-12120-10非套装5N/m,150kHz,Rotated Tip,Al Reflective Coating108MPP-12120-W非套装5N/m,150kHz,Rotated Tip,Al Reflective Coating3758MPP-13100-10非套装200N/m,525kHz,Rotated Tip,No Coating108MPP-13100-W非套装200N/m,525kHz,Rotated Tip,No Coating3758MPP-13120-10非套装200N/m,525kHz,Rotated Tip,Al Reflective Coating108MPP-13120-W非套装200N/m,525kHz,Rotated Tip,Al Reflective Coating3758RTESP非套装Order MPP-11100-10,40N/m,300kHz,Rotated Tip,No Coating108RTESPW非套装Order MPP-11100-W,40N/m,300kHz,Rotated Tip,No Coating3758RTESPA非套装Order MPP-11120-10,40N/m,300kHz,Rotated Tip,Al Reflective Coating108 RTESPAW非套装Order MPP-11120-W,40N/m,300kHz,Rotated Tip,Al Reflective Coating3758氮化硅探针快速扫描模式快速扫描探针是为Dimension FastScan™原子力显微镜专门设计的，能提供超快的成像速度，不会降低分辨率，不会影响力的控制，不增加复杂程度，更没有额外的操作费用。
基于非常成功的Dimension Icon®AFM 构造，FastScan原子力显微镜是一个针尖扫描系统，能在常温空气中或液态中对大尺寸和小尺寸的样品进行测量。
目前，运用Dimension FastScan AFM系统，高性能、高分辨率，用户可以在一个系统里面即刻获得原子力的图像。
对样品研究，查找重点区域时，无论在>125Hz时扫描，或者时间频率为1秒/图像帧（空气/液态），Dimension FastScan定能刷新用户的AFM使用体验。
型号套装规格参数包装（根/盒）针尖曲率半径(nm)FASTSCAN-A非套装FastScan Probes,17N/m,1,250kHz,Al Reflective Coating105FASTSCAN-B非套装FastScan Probes,4N/m,400kHz,Au Reflective Coating105FASTSCAN-C非套装FastScan Probes,1.5N/m,250kHz,Au Reflective Coating105氮化硅探针MicroLever系列布鲁克MicroLever系列的探针具有软的氮化硅悬臂，氮化硅针尖；是接触模式，力调制模式及液态操作的理想之选。