原子力顯微鏡的原理及應(yīng)用[稻谷書(shū)店]

1、Atomic Force Microscopy 原子力顯微鏡（AFM） 1優(yōu)選專業(yè) 目錄： nAFM的發(fā)展歷史 nAFM的原理 nAFM的分類 nAFM機(jī)器的組成 n影響AFM分辨率的因素 nAFM技術(shù)應(yīng)用舉例 n照片舉例 nAFM的缺點(diǎn) 2優(yōu)選專業(yè) 高級(jí)顯微鏡 n1938年，德國(guó)工程師Max Knoll和Ernst Ruska 制造出了世界上第一臺(tái)透射電子顯微鏡（TEM） n1952年，英國(guó)工程師Charles Oatley制造出了 第一臺(tái)掃描電子顯微鏡（SEM） 至此，電子顯微鏡的分辨率達(dá)到納米級(jí) 3優(yōu)選專業(yè) n1983年，IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家 Gerd Binnig和Hei

2、nrich Rohrer發(fā)明了掃描隧 道顯微鏡（STM） n應(yīng)用電子的“隧道效應(yīng)”這一原理，對(duì)導(dǎo)體或 半導(dǎo)體進(jìn)行觀測(cè) 4優(yōu)選專業(yè) 隧道效應(yīng) n經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，物體越過(guò)勢(shì)壘，有一閾值能量；粒子能量小 于此能量則不能越過(guò)，大于此能量則可以越過(guò)。例如騎自行車(chē) 過(guò)小坡，先用力騎，如果坡很低，不蹬自行車(chē)也能靠慣性過(guò)去。 如果坡很高，不蹬自行車(chē)，車(chē)到一半就停住，然后退回去。 n量子力學(xué)則認(rèn)為，即使粒子能量小于閾值能量，很多粒子沖向 勢(shì)壘，一部分粒子反彈，還會(huì)有一些粒子能過(guò)去，好像有一個(gè) 隧道，故名隧道效應(yīng)（quantum tunneling）?？梢?jiàn)，宏觀上 的確定性在微觀上往往就具有不確定性。雖然在通常的

3、情況下， 隧道效應(yīng)并不影響經(jīng)典的宏觀效應(yīng)，因?yàn)樗泶茁蕵O小，但在 某些特丁的條件下宏觀的隧道效應(yīng)也會(huì)出現(xiàn)。 5優(yōu)選專業(yè) AFM出現(xiàn)的意義 nSTM的原理是電子的“隧道效應(yīng)”，所以只能 測(cè)導(dǎo)體和部分半導(dǎo)體 n1985年，IBM公司的Binning和Stanford大學(xué)的 Quate研發(fā)出了原子力顯微鏡（AFM），彌補(bǔ)了 STM的不足 返回 6優(yōu)選專業(yè) 成 像 原 理 Expulsive force atom atom Attractive force atom atom 7優(yōu)選專業(yè) 恒定力量或者恒定高度 8優(yōu)選專業(yè) 探針如何成像 9優(yōu)選專業(yè) 表面形貌和材料如何測(cè)量 n 返回 X Y Z Move

4、r 垂直信號(hào)的變化垂直信號(hào)的變化 即樣本的表面變化即樣本的表面變化 Cantilever 擺動(dòng)擺動(dòng) 的方向的方向 X Y Z Mover Cantilever 擺動(dòng)擺動(dòng) 的方向的方向 水平信號(hào)的變化水平信號(hào)的變化 即樣本的材質(zhì)變化即樣本的材質(zhì)變化 10優(yōu)選專業(yè) AFM有多種工作模式 n1. 接觸模式（Contact Mode）：作用力在斥力范圍，力 的量級(jí)為109 108N，或1 10eV/?？蛇_(dá)到原子級(jí) 分辨率。 n2. 非接觸模式（Non-Contact Mode）：作用力在引力范 圍，包括范德華力、靜電力或磁力等。 n3. 輕敲模式（Tapping Mode） n4. Interleav

5、e模式（Interleave Normal Mode/Lift Mode） n5. 力調(diào)制模式（Force Modulation Mode） n6. 力曲線模式（Force Curve Mode） 11優(yōu)選專業(yè) 接觸式原子力顯微鏡 n接觸式AFM是一個(gè)排斥性的模式，探針尖端和 樣品做柔軟性的“實(shí)際接觸”，當(dāng)針尖輕輕掃 過(guò)樣品表面時(shí)，接觸的力量引起懸臂彎曲，進(jìn) 而得到樣品的表面圖形。 n由于是接觸式掃描，在接觸樣品時(shí)可能會(huì)是樣 品表面彎曲。 n經(jīng)過(guò)多次掃描后，針尖或者樣品有鈍化現(xiàn)象。 12優(yōu)選專業(yè) 特點(diǎn)： n通常情況下，接觸模式都可以產(chǎn)生穩(wěn)定的、分 辨率高的圖像。但是這種模式不適用于研究生 物大

6、分子、低彈性模量樣品以及容易移動(dòng)和變 形的樣品。 13優(yōu)選專業(yè) 接觸式（ contact mode） 14優(yōu)選專業(yè) 非接觸式原子力顯微鏡 n在非接觸模式中，針尖在樣品表面的上方振動(dòng) ，始終不與樣品接觸，探測(cè)器檢測(cè)的是范德華 作用力和靜電力等對(duì)成像樣品沒(méi)有破壞的長(zhǎng)程 作用力。 n需要使用較堅(jiān)硬的懸臂（防止與樣品接觸）。 n所得到的信號(hào)更小，需要更靈敏的裝置，這種 模式雖然增加了顯微鏡的靈敏度，但當(dāng)針尖和 樣品之間的距離較長(zhǎng)時(shí)，分辨率要比接觸模式 和輕敲模式都低。 15優(yōu)選專業(yè) 特點(diǎn)： n由于為非接觸狀態(tài)，對(duì)于研究柔軟或有彈性的 樣品較佳，而且針尖或者樣品表面不會(huì)有鈍化 效應(yīng)，不過(guò)會(huì)有誤判現(xiàn)象。這

7、種模式的操作相 對(duì)較難，通常不適用于在液體中成像，在生物 中的應(yīng)用也很少。 16優(yōu)選專業(yè) 非接觸式（non contact mode） 17優(yōu)選專業(yè) 間歇接觸式原子力顯微鏡 n微懸臂在其共振頻率附近做受迫振動(dòng)，振蕩的 針尖輕輕的敲擊表面，間斷地和樣品接觸。當(dāng) 針尖與樣品不接觸時(shí)，微懸臂以最大振幅自由 振蕩。當(dāng)針尖與樣品表面接觸時(shí)，盡管壓電陶 瓷片以同樣的能量激發(fā)微懸臂振蕩，但是空間 阻礙作用使得微懸臂的振幅減小。反饋系統(tǒng)控 制微懸臂的振幅恒定，針尖就跟隨表面的起伏 上下移動(dòng)獲得形貌信息。 18優(yōu)選專業(yè) n類似非接觸式AFM，比非接觸式更靠近樣品表 面。損害樣品的可能性比接觸式少（不用側(cè)面 力，

8、摩擦或者拖拽）。 n輕敲模式的分辨率和接觸模式一樣好，而且由 于接觸時(shí)間非常短暫，針尖與樣品的相互作用 力很小，通常為1皮牛頓（pN）1納牛頓（ nN），剪切力引起的分辨率的降低和對(duì)樣品 的破壞幾乎消失，所以適用于對(duì)生物大分子、 聚合物等軟樣品進(jìn)行成像研究。 19優(yōu)選專業(yè) 特點(diǎn)： n對(duì)于一些與基底結(jié)合不牢固的樣品，輕敲模式 與接觸模式相比，很大程度地降低了針尖對(duì)表 面結(jié)構(gòu)的“搬運(yùn)效應(yīng)”。 n樣品表面起伏較大的大型掃描比非接觸式的更 有效。 20優(yōu)選專業(yè) 間歇接觸式（tapping mode） 返回 21優(yōu)選專業(yè) 原子力顯微鏡的構(gòu)成 22優(yōu)選專業(yè) 23優(yōu)選專業(yè) 24優(yōu)選專業(yè) 在原子力顯微鏡的系統(tǒng)

9、中，可分成三個(gè)部分：力檢測(cè)部分、位置檢測(cè)在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中，可分成三個(gè)部分：力檢測(cè)部分、位置檢測(cè) 部分、反饋系統(tǒng)。部分、反饋系統(tǒng)。 25優(yōu)選專業(yè) 力檢測(cè)部分：力檢測(cè)部分： 在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，所要檢測(cè)的 力是原子與原子之間的范德華力。所以在本系統(tǒng)中是 使用微小懸臂（cantilever）來(lái)檢測(cè)原子之間力的變 化量。這微小懸臂有一定的規(guī)格，例如：長(zhǎng)度、寬度、 彈性系數(shù)以及針尖的形狀，而這些規(guī)格的選擇是依照 樣品的特性，以及操作模式的不同，而選擇不同類型 的探針。 26優(yōu)選專業(yè) 27優(yōu)選專業(yè) n位置檢測(cè)部分：位置檢測(cè)部分： 在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，當(dāng)針 尖與樣品之間有了

10、交互作用之后，會(huì)使得懸臂 （cantilever）擺動(dòng)，所以當(dāng)激光照射在 cantilever的末端時(shí)，其反射光的位置也會(huì)因 為cantilever擺動(dòng)而有所改變，這就造成偏移 量的產(chǎn)生。在整個(gè)系統(tǒng)中是依靠激光光斑位置 檢測(cè)器將偏移量記錄下并轉(zhuǎn)換成電的信號(hào)，以 供控制器作信號(hào)處理。 28優(yōu)選專業(yè) n 反饋系統(tǒng)：反饋系統(tǒng)： n在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，將信號(hào)經(jīng) 由激光檢測(cè)器取入之后，在反饋系統(tǒng)中會(huì)將此 信號(hào)當(dāng)作反饋信號(hào)，作為內(nèi)部的調(diào)整信號(hào)，并 驅(qū)使通常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當(dāng)?shù)?移動(dòng)，以保持樣品與針尖保持合適的作用力。 29優(yōu)選專業(yè) n原子力顯微鏡（AFM）便是結(jié)合以上三個(gè)部分來(lái)將

11、 樣品的表面特性呈現(xiàn)出來(lái)的：在原子力顯微鏡 （AFM）的系統(tǒng)中，使用微小懸臂（cantilever） 來(lái)感測(cè)針尖與樣品之間的交互作用，測(cè)得作用力。 這作用力會(huì)使cantilever擺動(dòng)，再利用激光將光照 射在cantilever的末端，當(dāng)擺動(dòng)形成時(shí)，會(huì)使反射 光的位置改變而造成偏移量，此時(shí)激光檢測(cè)器會(huì)記 錄此偏移量，也會(huì)把此時(shí)的信號(hào)給反饋系統(tǒng)，以利 于系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，最后再將樣品的表面特性以 影像的方式給呈現(xiàn)出來(lái)。 返回 30優(yōu)選專業(yè) 提高圖像分辨率 n1、發(fā)展新的技術(shù)或模式來(lái)提高分辨率，即從硬件 設(shè)備以及成像機(jī)理上提高成像分辨率。如最近 Fuchs等發(fā)明的Q控制技術(shù)，可以提高成像分辨率 和

12、信噪比。采用力調(diào)制模式或頻率調(diào)制模式等也 可以有效提高成像分辨率。 n2、選擇尖端曲率半徑小的針尖，減小針尖與樣品 之間的接觸面積，減小針尖的放大效應(yīng)，以提高 分辨率。 31優(yōu)選專業(yè) n3、盡量避免針尖和樣品表面的污染。如果針尖上有污染物 ，就會(huì)造成與表面之間的多點(diǎn)接觸，出現(xiàn)多針尖現(xiàn)象，造成 假像。如果表面受到了污染，在掃描過(guò)程中表面污染物也可 能粘到針尖上，造成假像的產(chǎn)生。 n4、控制測(cè)試氣氛，消除毛細(xì)作用力的影響。由于毛細(xì)作用 力的存在，在空氣中進(jìn)行AFM成像時(shí)會(huì)造成樣品與針尖的接 觸面積增大，分辨率降低。此時(shí)，可考慮在真空環(huán)境下測(cè)定 ，在氣氛控制箱中沖入干燥的N2，或者在溶液中成像等。溶

13、 液的介電性質(zhì)也可以影響針尖與樣品間范德華作用力常數(shù)， 從而有可能減小它們之間的吸引力以提高成像分辨率。不過(guò) 液體對(duì)針尖的阻尼作用會(huì)造成反饋的滯后效應(yīng)，所以不適用 于快速掃描過(guò)程。 32優(yōu)選專業(yè) AFM針尖放大效應(yīng) AFM是依靠尖端曲率半徑很小的微懸臂針尖接觸在 表面上進(jìn)行成像，所得到的圖像是針尖與樣品真實(shí) 形貌卷積后的結(jié)果。如圖所示，實(shí)線代表樣品的真 實(shí)形貌，虛線就是針 尖掃描所得到的表觀 圖像。二者之間的差 別在于針尖與樣品真 實(shí)接觸點(diǎn)和表觀接觸 點(diǎn)隨針尖移動(dòng)的函數(shù) 變化關(guān)系。 33優(yōu)選專業(yè) n針尖效應(yīng)不僅會(huì)將小的結(jié)構(gòu)放大，而且還 會(huì)造成成像的不真實(shí)，特別是在比較陡峭 的突起和溝槽處。 n

14、一般來(lái)說(shuō)，如果針尖尖端的曲率半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn) 小于表面結(jié)構(gòu)的尺寸，則針尖效應(yīng)可以忽 略，針尖走過(guò)的軌跡基本上可以反映表面 結(jié)構(gòu)的起伏變化。 34優(yōu)選專業(yè) 微懸臂檢測(cè)方法 nAFM是通過(guò)檢測(cè)微懸臂形變的大小來(lái)獲得 樣品表面形貌信息的，所以微懸臂形變檢 測(cè)技術(shù)至關(guān)重要。到目前為止，檢測(cè)微懸 臂形變的方式主要有以下幾種： n1）隧道電流檢測(cè)法 n2）電容檢測(cè)法 n3）光學(xué)檢測(cè)法 n4）壓敏電阻檢測(cè)法 35優(yōu)選專業(yè) n5）光束偏轉(zhuǎn)法。此方法由Meyer和Amer于 1988年發(fā)明，簡(jiǎn)便實(shí)用，廣泛應(yīng)用于目前 的商品化儀器。 n須指出，由于針尖樣品之間的作用力是 微懸臂的力常數(shù)和形變量之積，所以無(wú)論 哪種檢測(cè)方法，都應(yīng)不影響微懸臂的力常 數(shù)，而且對(duì)形變量的檢測(cè)須達(dá)到一納米以 下。 返回 36優(yōu)選專業(yè) AFM應(yīng)用技術(shù)舉例 nAFM可以在大氣、真空、低溫和高溫、不同氣 氛以及溶液等各種環(huán)境下工作，且不受樣品導(dǎo) 電性質(zhì)的限制，因此已獲得比STM更為廣泛的 應(yīng)用。主要用途： n1. 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體表面的高分辨成像 n2. 生物樣品、有機(jī)膜的高分辨成像 n3. 表面化學(xué)反應(yīng)研究 n4. 納米加工與操縱 37優(yōu)選專業(yè) n5. 超高密度信息存