原子力显微镜的构造、性能和使用方法
原子力显微镜法
原子力显微镜法原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，简称AFM）是一种高分辨率的表面形貌和力学特性测量技术。
它通过在探针和样品表面之间施加微小的力量，利用谐振频率变化的检测原理获得样品表面的拓扑信息，从而实现纳米尺度的观测和测量。
本文将介绍 AFM 的基本原理、操作流程及其在纳米科学与纳米技术领域的应用。
一、基本原理原子力显微镜是基于探针与样品表面之间相互作用力的测量原理工作的。
探针端通过弹性变形受到样品表面的力作用，且力与距离成反比。
AFM以原子尺度的分辨率测量表面形貌，使用悬臂梁弹簧探针，通过测量力传感器的弯曲程度得到样品表面的高低起伏。
由于探针尖端可以被加工成非常尖锐的形状，所以可以实现纳米级别的表面成像。
二、操作流程1. 样品准备：将待测样品表面进行清洗和处理，确保表面干净平整。
2. 探针安装：选择合适的探针并安装在原子力显微镜仪器上。
3. 探针校准：使用标定样品或试样进行探针的校准调整，以确保测量结果的准确性。
4. 调整参数：根据样品的特性和需要测量的参数，进行原子力显微镜的工作参数设置。
5. 表面成像：将样品放置在仪器台面上，通过控制探针的移动和扫描模式，实现对样品表面的成像。
6. 数据分析：对得到的图像进行处理和分析，提取所需的拓扑和力学信息。
三、应用领域原子力显微镜法在纳米科学与纳米技术领域有着广泛的应用。
1. 表面形貌分析：原子力显微镜可以实现对材料表面的纳米级别形貌观测，如纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜等的形貌表征。
2. 纳米力学性质研究：通过在原子力显微镜中加入力曲线扫描模式，可以测量材料的力学性质，如硬度、弹性模量等。
3. 表面化学成分分析：结合原子力显微镜与其他表征手段，如扫描电子显微镜、能谱分析等，可以实现对样品表面化学成分的分析。
4. 生物医学应用：原子力显微镜可实现对生物分子及细胞的高分辨率成像和测量，对生物医学研究具有重要意义。
5. 纳米加工与纳米制造：利用原子力显微镜的扫描控制功能，可以进行纳米级别的构筑、雕刻和操控，用于纳米加工技术和纳米器件制造。
物理实验技术中原子力显微镜的使用方法详解
物理实验技术中原子力显微镜的使用方法详解原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）是一种基于原子力作用的高分辨率表面成像和测量仪器。
它可以实现对物质表面的高分辨率成像，并且能够进行纳米级的力学性质测量。
本文将详细介绍原子力显微镜的使用方法。
一、原子力显微镜的基本原理和组成原子力显微镜的工作原理是利用一根非常细的探针在样品表面扫描，并测量样品表面与探针之间的力的变化。
通过扫描获得的力的数据可以生成样品表面的三维图像。
原子力显微镜主要由扫描单元、探针、控制系统和数据处理系统四个部分组成。
二、原子力显微镜的操作步骤1. 样品准备：首先需要将待测样品制备成均匀平整的表面。
这通常需要使用微纳米加工技术，如化学气相沉积、溅射沉积或离子束抛光等。
2. 探针安装：将探针固定到扫描单元中。
探针的选择非常重要，需要根据所需实验的具体要求来选择合适的探针。
一般情况下，探针的弹性常数需要在200 N/m到400 N/m之间。
3. 调试参数：在进行实际扫描前，需要根据样品的性质和测量目的来调节扫描参数。
例如，扫描速度、扫描范围、力的设置等。
4. 开始扫描：开启原子力显微镜，将探针移动到样品表面上，并开始扫描。
实际扫描过程中，需要保持探针与样品之间的力稳定，通常采用反馈控制技术来实现。
5. 数据处理：完成扫描后，可以将获得的原子力显微镜数据进行处理和分析。
常见的数据处理方法包括三维重构、高度廓线提取、力谱分析等。
三、原子力显微镜的应用领域原子力显微镜广泛应用于材料科学、生物科学和纳米科学等领域。
在材料科学中，原子力显微镜可以用于研究材料的表面形貌、纳米结构和纳米力学性质。
在生物科学中，原子力显微镜可以用于观察和研究生物大分子的形貌和相互作用力。
在纳米科学中，原子力显微镜可以用于制备和研究纳米器件和纳米材料。
四、原子力显微镜的发展趋势随着技术的不断发展和进步，原子力显微镜的分辨率和功能得到了明显提高。
AFM-原子力显微镜PPT课件
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。
原子力显微镜的原理及应用ppt课件
AFM出现的意义
STM的原理是电子的“隧道效应”，所以只能 测导体和部分半导体
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
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成像原理
atom atom
atom atom
Expulsive force
Attractive force
5）光束偏转法。此方法由Meyer和Amer于 1988年发明，简便实用，广泛应用于目前 的商品化仪器。
须指出，由于针尖—样品之间的作用力是 微悬臂的力常数和形变量之积，所以无论 哪种检测方法，都应不影响微悬臂的力常 数，而且对形变量的检测须达到一纳米以 下。
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AFM应用技术举例
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，且不受样品导 电性质的限制，因此已获得比STM更为广泛的 应用。主要用途：
1. 导体、半导体和绝缘体表面的高分辨成像 2. 生物样品、有机膜的高分辨成像 3. 表面化学反应研究 4. 纳米加工与操纵
5. 超高密度信息存储 6. 分子间力和表面力研究 7 摩擦学及各种力学研究 8 在线检测和质量控制
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IBM科学家首次拍下单分子照片
二氧化锡薄膜
3、尽量避免针尖和样品表面的污染。如果针尖上有污染物， 就会造成与表面之间的多点接触，出现多针尖现象，造成假 像。如果表面受到了污染，在扫描过程中表面污染物也可能 粘到针尖上，造成假像的产生。
4、控制测试气氛，消除毛细作用力的影响。由于毛细作用力 的存在，在空气中进行AFM成像时会造成样品与针尖的接触面 积增大，分辨率降低。此时，可考虑在真空环境下测定，在 气氛控制箱中冲入干燥的N2，或者在溶液中成像等。溶液的 介电性质也可以影响针尖与样品间范德华作用力常数，从而 有可能减小它们之间的吸引力以提高成像分辨率。不过液体 对针尖的阻尼作用会造成反馈的滞后效应，所以不适用于快 速扫描过程。
原子力显微镜使用方法说明书
原子力显微镜使用方法说明书1. 简介原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种高分辨率的显微镜，能够对样品的表面进行原子级别的观测和测量。
本使用方法说明书旨在介绍如何正确操作和使用原子力显微镜。
2. 仪器准备2.1 检查设备在开始使用前，确保原子力显微镜设备完好无损，各个零部件安装正确。
检查扫描头、探针和样品台是否干净，并进行清洁和调整。
2.2 加载样品将需要观测的样品谨慎地加载到样品台上，并确保样品与扫描头之间的距离足够近，但不会产生碰撞。
确保样品安全固定在样品台上，以避免移动或震动。
3. 系统设置3.1 探针选择根据要观察的样品特性和实验需求选择合适的探针。
考虑到扫描精度和高度检测的要求，选择合适的探针材料和形状。
3.2 环境条件在使用原子力显微镜前，确保实验室环境稳定，并且温度、湿度等参数调整到适宜范围。
避免有干扰源或电磁辐射干扰的情况下进行观测。
4. 扫描模式选择根据实验需求选择合适的扫描模式。
一般常用的模式包括接触模式、非接触模式、谐振模式以及磁力模式等。
根据样品表面的性质和实验目的选择最合适的模式。
5. 参数设置5.1 扫描速度根据实验要求确定扫描速度，较高的扫描速度可节省观测时间，但可能会降低图像质量，较低的扫描速度则可提高图像清晰度。
5.2 扫描范围设置扫描范围以确保所需观测区域能够完整显示于图像中。
根据样品的尺寸和形状合理设置扫描区域，以获取全貌和细节。
5.3 扫描力/力常数探测器与样品之间的相互作用力是通过扫描力的设置来控制的。
根据样品的硬度和表面特性选择适当的扫描力或力常数，以确保扫描过程中不会损坏样品。
6. 调整和校准在正式观测前，进行系统的调整和校准是必要的。
对扫描头进行纵向和横向的校准，以确保扫描结果的准确性和可靠性。
7. 开始扫描完成上述准备工作后，可以开始进行实际的扫描。
根据实验目的和方法设置合适的扫描参数，并开始扫描。
8. 数据分析和图像处理获取到的原子力显微镜图像可能需要进行后续的数据分析和图像处理。
物理实验技术中的原子力显微镜操作方法与技巧
物理实验技术中的原子力显微镜操作方法与技巧原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种重要的物理实验仪器，广泛应用于物理、化学、材料科学等领域。
它具有高分辨率、高灵敏度和高精度等特点，可以观察到物质的微观结构和性质。
本文将介绍原子力显微镜的操作方法与技巧，以帮助读者更好地运用这一仪器进行实验研究。
1. 原子力显微镜的基本原理原子力显微镜利用扫描探针与样品之间的相互作用力来获取样品表面的拓扑结构和力学性质。
其基本原理是通过探针在样品表面上的扫描，测量表面与探针之间的相互作用力，然后根据这些数据生成图像。
在实验中，我们需要掌握以下几个关键的操作方法与技巧。
2. 样品的准备与安装在进行原子力显微镜实验之前，首先需要准备样品并将其安装在样品台上。
样品应该是干燥和干净的，以避免在观察过程中产生杂散信号。
此外，样品的尺寸也需要适合于原子力显微镜的扫描范围。
在安装样品时，要确保样品与扫描探针之间的距离合适，并且样品台的水平度要调整好，以保证扫描结果的准确性。
3. 扫描参数的设置在进行原子力显微镜实验之前，需要设置扫描参数以获得理想的扫描结果。
扫描参数包括扫描速度、扫描范围、力曲线采集速率等。
对于不同类型的样品，需要根据其表面特性和所需观察的结构选择合适的扫描参数。
一般来说，高分辨率的扫描要求较低的扫描速度和较小的扫描范围，而粗略观察则可以采用较高的扫描速度和较大的扫描范围。
4. 扫描模式的选择原子力显微镜有多种不同的扫描模式，包括常规扫描模式、大范围扫描模式、力谱扫描模式等。
常规扫描模式适用于常规的表面形貌观察，大范围扫描模式则适用于大范围的表面形貌测量，力谱扫描模式则适用于材料力学性质的研究。
选择合适的扫描模式可以提高实验效率和结果的准确性。
5. 数据的处理与分析实验得到的原子力显微镜图像是一组数据，需要进行进一步的处理与分析。
常见的处理与分析方法包括平滑处理、滤波处理、尖峰识别等。
原子力显微镜的应用
原子力显微镜的应用原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，简称AFM）是一种用来观察固体表面的先进技术。
它可以对不同材料的形态、性质和结构进行高分辨率成像和力学探测。
AFM的工作原理是利用微小弹性探针对样品表面进行扫描，通过跟踪探针的运动获取局部表面形貌、力学性质等信息。
AFM是近年来材料科学、电子学、生物学等领域中应用最广泛的显微技术之一。
一、原子力显微镜的成像原理AFM可以实现非常高的空间分辨率，能够同时像普通显微镜和扫描电子显微镜（SEM）一样提供子纳米级别的图像分辨率和成像深度。
AFM从表现形式上可以分为离散或连续两种模式，离散模式是让探针接触到样品后再扫描，连续模式则是在扫描时始终保持探针与样品间的距离。
AFM的成像可以分为接触模式和非接触模式。
接触模式是探针接触到样品表面，以探头被物体挤压的形式感知样品表面形貌和机械性质。
非接触模式基本上可以看作探头不接触样品而仅从靠近表面处的力量来探测。
在实践中，大多数情况下使用非接触模式。
二、原子力显微镜在生物学领域中的应用AFM已经成为了生物分子和薄膜研究的杰出工具，也被广泛应用于分子识别和结构分析。
AFM成像可以直接观察生物大分子的结构，可用于研究蛋白质、DNA 等生物分子的结构及其性质。
AFM成像技术能清晰显示生物高分子的形态结构，不受飞行束流的限制，因此可以在生物学研究上更加轻松地获得高质量的图像。
此外，AFM还可以用于评估生物大分子的力学性质，包括生物大分子的弹性、硬度和黏滞性等。
常见的生物学应用包括：1. 评估生物大分子的拓扑形态：AFM成像可以清晰显示生物高分子的形态结构，包括蛋白质、DNA等。
这种成像可以用于研究生物大分子的结构及其性质，例如蛋白质的折叠状态、靶向与确定靶标分子、鉴定有机小分子与生物大分子的相互作用。
2. 测定细胞表面高度分布：AFM可以用于确定细胞表面的高度分布情况，从而能够实现对细胞表面进行3D成像。
原子力显微镜PPT演示课件
生科院
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显微镜的分类
光学显微镜
显 微 镜
暗视野显微镜 实体显微镜 荧光显微镜 偏光显微镜 位相显微镜 倒置式显微镜 微分干涉显微镜 摄影显微镜
透射式电子显微镜
电子显微镜
扫描式电子显微镜
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扫描隧道显微镜、原子力显微镜
原子力显微镜
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原子力显微镜
原子力显微镜（Atomic Force Microscope ）简称
原子力显微镜技术在生物学领域的应用有赖于样品制备方法和 适合针尖-样品相互作用的缓冲液的研究。原子力显微镜现已 成为一种获得样品表面结构的高分辨率图像的有力工具。而更 为吸引人的是其观察生化反应过程级生物分子构象变化的能力， 因此，原子力显微镜在生物学领域中的应用前景毋庸置疑。而 对于原子力显微镜技术本身，以下几个方面的进展将更加有利 于它在生物学中的应用。大多数生物反应过程相当快速，原子 力显微镜时间分辨率的提高有助于这些过程的观察。生命科学 研究有其自身特点，需设计出适合生物学研究的原子力显微镜。 高分辨率是原子力显微镜的优势。其分辨率在理论上能达到原 子水平，但目前还没有实现，如何做出更细的针尖将有助于其 分辨率的进一步提高。
原子力显微镜可以作为一种力传感器来研究 分子间的相互作用。这是由于原子力显微镜理论 上能够感应10-14nm的作用力，能感应0.01nm的 位移，而接触面积可小到10n㎡.
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原子力显微镜 在研究物质超微结构中的应用
应用原子力显微镜(AFM)可以直接观察到表面缺陷、 表面重构、表面吸附体的形态和位置、以及有表面吸附体 引起的表面重构等。原子力显微镜(AFM)可以观察许多不 同材料的原子级平坦结构，例如，可以用原子力显微镜 (AFM)对DL－亮氨酸晶体进行研究，可观察到表面晶体分 子的有序排列，其晶格间距与X射线衍射数据相符。另外 原子力显微镜(AFM)还成功地用于观察吸附在基底上的有 机分子和生物样品，如，三梨酸、DNA和蛋白质的表面。
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。
原子力显微镜的基本原理与应用
原子力显微镜的基本原理与应用作为材料科学中的一项重要工具，原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)可以实现对于物质的高分辨率的三维成像，提供了对于物质的局部微观颗粒状态的详细了解。
它不需要特殊的标记和处理，适用于各种不同形态的应用场景，是当前最为先进的光学性质测试手段之一。
本文将对原子力显微镜的基本原理以及应用做一个简要介绍。
一、基本原理原子力显微镜是一种通过探针测量表面形貌的技术，它能够探测物体表面的特征，包括高度，层析等信息。
与传统的光学显微镜不同，原子力显微镜常常使用细小的探针在样品表面扫描，通过对于样品的局部电化学反应进行分析，进而得到关于样品表面形态信息的表征。
具体来说，原子力显微镜是通过力的探测方式来进行成像的。
探针的测量精度非常高，可以达到亚埃级别的精度，即微米尺度之内的物体都能被精确地探测到。
同时，它还能够提供物体的力学特性等信息，包括物体的弹性、刚性等信息。
二、应用场景1.材料表面成像原子力显微镜在材料科学领域中的一个重要应用是材料表面成像。
通过使用原子力显微镜，我们可以了解到各种材料表面的各种细节信息，包括高度、层析等信息，从而更加深入地了解材料的物理、化学等性质。
2.生物医学应用在生物医学科学领域中，原子力显微镜可以用于单个细胞或微生物的成像和表征。
在这方面的应用中主要是通过原子力显微镜检测这些细胞或微生物表面的变化，比较常见的例子包括癌症细胞成像等。
3.纳米材料研究原子力显微镜在纳米材料研究领域中也有着广泛的应用。
通过它，我们可以了解到纳米材料的表面结构、晶胞等信息，并且可以通过对于这些信息的分析，以提高纳米材料性质的研究水平。
4.电子学研究原子力显微镜可以通过扫描紧密相互作用材料的表面，以了解材料的电学性质等信息。
这种技术在芯片及半导体研究、催化剂研究等领域中有着广泛的应用。
三、总结原子力显微镜是目前最为先进的光学性质测试手段之一，它能够提供关于物质的高分辨率的三维成像等信息。