开尔文探针力显微镜原理
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。
efm显微镜测试原理
efm显微镜测试原理
静电力显微镜（EFM）是一种利用测量探针与样品的静电相互作用来表征样品表面静电势能、电荷分布以及电荷输运的扫描探针显微镜。
其工作原理主要基于悬臂梁组成的探针，与原子力显微镜类似，但测量的是两者间的库仑相互作用而非范德华力。
在EFM中，施加在悬臂针尖和样品之间的交流电压信号产生静电力，而由于样品表面电荷的影响，静电力发生变化，进一步改变微悬臂的振动特性。
这种振动特性的变化可以通过固定在微悬臂上的微小反射镜改变光路，并使用激光干涉测微仪检测到这种微小的变化。
通过这种方式，EFM能够获取样品表面的静电信息，从而实现对其表面性质的表征。
原子力显微镜工作原理、步骤、注意事项
原子力显微镜工作原理:在原子力显微镜的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。
主要工作原理如下图：在AFM中用一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂上的极细探针。
当探针与样品接触时,由于它们原子之间存在极微弱的作用力(吸引或排斥力) ,引起微悬臂偏转。
扫描时控制这种作用力恒定,带针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的等位面,在垂直于样品表面方向上起伏运动, 因而会使反射光的位置改变而造成偏移量，通过光电检测系统(通常利用光学、电容或隧道电流方法) 对微悬臂的偏转进行扫描,测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化, 此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整。
将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像。
AFM 的核心部件是力的传感器件, 包括微悬臂(Cantilever) 和固定于其一端的针尖。
根据物理学原理,施加到Cantilever 末端力的表达式为：F = KΔZ。
ΔZ 表示针尖相对于试样间的距离, K 为Can2tilever 的弹性系数，力的变化均可以通过Cantilever 被检测。
（1） AFM关键部位：AFM关键部份是力敏感元件和力敏感检测装置。
所以微悬臂和针尖是决定AFM灵敏度的核心。
为了能够准确地反映出样品表面与针尖之间微弱的相互作用力的变化,得到更真实的样品表面形貌,提高AFM 的灵敏度,微悬臂的设计通常要求满足下述条件: ①较低的力学弹性系数,使很小的力就可以产生可观测的位移; ②较高的力学共振频率; ③高的横向刚性,针尖与样品表面的摩擦不会使它发生弯曲; ④微悬臂长度尽可能短;⑤微悬臂带有能够通过光学、电容或隧道电流方法检测其动态位移的镜子或电极; ⑥针尖尽可能尖锐。
(3) AFM的针尖技术探针是AFM的核心部件。
如右图。
目前,一般的探针式表面形貌测量仪垂直分辨率已达到0.1 nm ,因此足以检测出物质表面的微观形貌。
原子力显微镜工作原理
原子力显微镜工作原理原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种利用原子尺度的探针来研究材料表面形貌和性质的高分辨率显微镜。
它是1986年由Binnig、Quate和Gerber等人发明的，是一种非接触式的显微镜，可以在原子尺度上观察材料表面的形貌和性质。
原子力显微镜的工作原理主要是利用微小的探针在材料表面扫描，通过探测探针和样品之间的相互作用力来获取样品表面的形貌和性质信息。
原子力显微镜的工作原理可以简单地描述为，探针在样品表面来回扫描，同时测量探针和样品之间的相互作用力。
这种相互作用力可以分为几种类型，包括吸附力、排斥力、弹性力等。
通过测量这些相互作用力的变化，可以得到样品表面的高度、形貌、硬度等信息。
原子力显微镜的探针一般是由一根非常细的尖端组成，尖端的尺寸可以达到纳米甚至更小的尺度。
当探针接近样品表面时，探针和样品之间会产生相互作用力，这种力可以通过弹簧常数和探针的偏移量来测量。
通过精密的控制系统，可以调整探针和样品之间的距离，使探针始终保持在样品表面附近。
当探针在样品表面扫描时，探针和样品之间的相互作用力会发生变化，这种变化可以被探测器检测到并转换成图像或数据。
原子力显微镜可以实现对样品表面的原子级分辨率成像，能够观察到样品表面的原子排列、晶体结构、表面粗糙度等信息。
此外，原子力显微镜还可以用于测量样品的力学性质，如硬度、弹性模量等。
这些信息对于材料科学、纳米科学、生物学等领域的研究具有重要意义。
除了在实验室中进行科学研究，原子力显微镜还被广泛应用于工业生产中。
例如，在纳米材料制备和表征、集成电路制造、生物医学研究等领域都有着重要的应用价值。
总之，原子力显微镜作为一种高分辨率的显微镜，具有非常重要的科学研究和工业应用价值。
它的工作原理简单清晰，能够实现对样品表面的高分辨率成像和力学性质的测量，为材料科学、纳米科学、生物学等领域的研究提供了重要的手段和技术支持。
开尔文探针力显微镜非线性电学反馈系统设计
开尔文探针力显微镜非线性电学反馈系统设计
李新宇;胡晓东;徐临燕;张锐
【期刊名称】《自动化与仪表》
【年(卷),期】2022(37)10
【摘要】近年来,伴随着二维材料在半导体器件等方面的应用,人们使用开尔文探针力显微镜(KPFM)对二维材料进行了深入研究。
尽管KPFM使用越来越广泛,但在KPFM测量二维材料功函数的准确性方面关注较少。
该文提出使用一种非线性PI 控制器提高KPFM的测量准确性。
使用高定向热解石墨(HOPG)作为标准样进行非线性PI控制器系统性能评价,得到系统测量列的单次测量实验标准差为0.38 mV,平均值的实验标准差为0.12 mV,非线性误差为0.26%。
衬底为金膜的二维材料MoSe2作为该文的实验测量对象,对比商用KPFM测量系统,基于非线性PI控制器调控的KPFM电学反馈误差电压绝对值的平均值减少了75.5%,误差电压绝对值的最大值减少了80.0%,表现出更高的测量准确性。
【总页数】5页(P72-76)
【作者】李新宇;胡晓东;徐临燕;张锐
【作者单位】天津大学精密仪器与光电子工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH89
【相关文献】
1.多频率开尔文探针力显微镜的设计
2.间歇模原子力显微镜扫描探针的非线性振动
3.氧化铝/氮化硅双层膜晶硅钝化的开尔文探针力显微镜研究
4.基于扫描开尔文探针力显微镜的金属中局部氢分布测试方法研究
5.开尔文探针原子力显微镜在CdTe 多晶薄膜研究中的应用
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探针台工作原理
探针台工作原理
探针台是一种用于研究材料性质和表面形貌的仪器。
它主要通过针尖探针与待测物表面之间的相互作用力来获取样品的信息。
探针台的工作原理可以分为两个主要方面：扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy，STM）和原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）。
在STM中，针尖探针与样品表面保持一定的距离，并通过施
加一小的电压进行探测。
当电子从针尖通过隧道效应流向样品表面时，其隧道电流的变化与针尖与样品表面的距离成反比。
通过测量隧道电流的变化，可以在纳米尺度下观察到样品表面的形貌和原子结构。
在AFM中，针尖探针也与样品表面保持一定的距离。
通过在
探针上施加一个微小的力，使得探针与样品表面之间的相互作用力保持稳定。
当探针在样品表面上移动时，探针与样品表面之间的相互作用力的变化将会导致探针的弯曲。
通过测量和跟踪探针的位移，可以得到样品的表面形貌和力的信息。
探针台可以提供高分辨率的图像，并可以对样品进行定量检测，包括表面形貌、粗糙度、电导率、磁性等性质。
它广泛应用于材料科学、纳米技术、化学和生物科学等领域的研究和开发中。
开尔文探针测试酶分子表面电势
开尔文探针测试酶分子表面电势
开尔文探针测试酶分子表面电势是一种研究酶活性的重要方法，
主要通过测试其表面电势来实现。
它可以对蛋白质表面上各类特定化
学官能团的位点进行精细定位，从而把握催化反应过程中酶-底物之间
位点间力学动力学，进而认识蛋白质结构及调控酶活性。
开尔文探针测试酶分子表面电势的方法有：使用分子动力学模拟、X射线衍射或电化学技术。
通过测定酶分子表面电势，可以获得传统技
术无法得到的关于原子表面环境的定量信息。
除此之外，它还能有效
测量蛋白质表面上水分子的分布及活性，以及蛋白质与离子溶剂之间
的相互作用。
开尔文探针测试酶分子表面电势是一种高灵敏度的测试技术，可
以提供有关酶活性的定量信息。
它能有效对比各类酶分子表面的单体
状态差异，更进一步确定出活性差异的原因。
在实验室中，主要采用基于分子动力学模拟的开尔文探针测试酶
分子表面电势方法进行实验。
通过构建网格模型，预先计算表面电势
的最大值，并将得到的数据应用到不同的实验任务中。
除此之外，还
可以用电化学技术来测量酶分子表面电势和相关亲电性参数。
在开尔文探针测试酶分子表面电势过程中，新用户可以获取腹膜
型糖蛋白分子表面电势值，从而更容易地获得具体的定量信息。
此外，如果酶分子表面电势值与酶-底物之间的亲电作用所构成的氢键相关，
则可以更好地分析催化过程中的表面热力学力学。
总而言之，开尔文探针测试酶分子表面电势是一种可靠的研究酶
活性的方法，可以有效的获取较多的信息，进而发掘蛋白质结构及其
调控酶活性的机制。
扫描探针显微镜
透射电 镜
高真空
室温
小
扫描电 镜 场离子 显微镜
6~10nm
高真空
室温
小
原子级
超高真空
30~80K
有
存在的问题
考察物质性质时，SPM空间分辨率较低
压电扫描器垂直伸缩范围小，对样品粗糙程度有要求
探针扫描速度受限，获取数据速率较慢
难以快速的控制原子，分子的结构
我国扫描探针显微镜开发和生产
1987年依托在中国科学院北京科仪中心的中国科学院北京电子显微镜实验 室和化学所研制完成了我国第一台扫描隧道显微镜。 此后，化学所，北京大学,上海原子核研究所等十余个单位也制成了各种 STM； 化学所又研制成我国第一台原子力显微镜； 中科院北京电镜室和大连理工大学开发了我国第一台光子扫描隧道显微镜。
5. 配合扫描隧道谱，可以得到有关表面结构的信息，例如表面不同层 次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结 构等。 6. 在技术本身，SPM具有的设备相对简单、体积小、价格便宜、对安 装环境要求较低、对样品无特殊要求、制样容易、检测快捷、操作 简便等特点，同时SPM的日常维护和运行费用也十分低廉。
检测时，对样品表面的每一行都进行两次扫描； 第一次扫描采用轻敲模式，得到样品在这一行的高低起 伏并记录下来；第二次采用抬起模式，让磁性探针抬起 一定的高度(通常为10～200nm)，并按样品表面起伏轨 迹进行扫描，记录下磁性探针因受到的长程磁力的作用 而引起的振幅和相位变化，得到样品表面漏磁场的精细 梯度，从而得到样品的磁畴结构。
扫描隧道显微镜 SБайду номын сангаасM
20世纪70年代，葛宾尼与其导师海罗雷尔在IBM的苏黎世实验室进行超 导实验，联系驱动探针在样品表面扫描的方法，萌生了利用导体的隧道 效应来探测样品表面及形貌的想法。
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开尔文探针力显微镜原理
KPFM的工作原理基于扫描探针显微镜的原理，该技术使用一根非常
细的探针来扫描样品表面，以获取有关样品表面形貌和力信息的图像。
与
常规的原子力显微镜（AFM）不同，KPFM使用一根带有金属涂层的探针，
该涂层可以测量样品表面的电势差。
KPFM的原理和操作步骤如下：
1.准备工作：首先，需要准备一块要被测量的样品，并将其放置在扫
描探针显微镜的样品台上。
接下来，在样品表面涂覆一层导电性较强的导体，例如金属。
2.探针接触：然后，将带有金属涂层的探针放置在样品表面附近，并
通过控制机械臂将探针缓慢接近样品表面，直至探针的金属涂层与样品表
面接触。
3.扫描：一旦探针与样品表面接触，扫描开始。
扫描探针会垂直移动
以跟随样品表面的形貌变化，并记录探针的位置与样品表面之间的力信息。
4.绘制图像：通过计算探针位置与表面之间的力信息，可以绘制出样
品表面拓扑的图像。
这种图像显示了样品的形貌和纳米尺度上的细节。
5.电势测量：在扫描过程中，探针的金属涂层会受到样品表面电势的
影响。
测量电势差的方法是在探针上施加一个固定电压，然后通过测量探
针与样品之间的电流来计算电势差。
6.电势图像：通过在不同位置测量电势差，可以绘制出样品表面电势
分布的图像。
这些电势图像提供有关样品的电子性质、表面电位分布和空
间电荷分布等信息。
KPFM的原理基于场发射效应，即样品表面的电子会经由尖端金属探针发射到空气中，并产生电流。
电流的强度与样品表面的电势差成正比，可以通过测量电流来计算电势差。
由于探针与样品表面之间有细微的作用力，因此KPFM可以确定表面电势差和力信息，从而提供有关样品电子性质的详细信息。
总之，开尔文探针力显微镜原理是通过扫描探针显微镜和电势测量技术的结合，可以测量样品表面的电势差，提供有关样品的电子性质、表面电位分布和空间电荷分布等信息。
这种技术在材料科学、表面物理学和纳米电子学等领域具有广泛的应用前景。