原子力顯微鏡上

AtomicForceMicroscopy原子力顯微鏡（AFM）12021/5/91目錄：AFM的原理AFM的分類AFM機(jī)器的組成影響AFM分辨率的因素AFM技術(shù)應(yīng)用舉例照片舉例AFM的缺點(diǎn)2021/5/92光學(xué)顯微鏡透射電子顯微鏡掃描隧道顯微鏡掃描電子顯微鏡原子力顯微鏡顯微鏡的發(fā)展歷史2021/5/93掃描隧道顯微鏡（STM）

1983年，IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家GerdBinnig和HeinrichRohrer發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（STM）。STM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。。2021/5/94原子力顯微鏡（AFM）1985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，可以用來(lái)測(cè)量任何樣品的表面。2021/5/95AFM的原理

AFM是在STM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種顯微技術(shù)。那么，首先我們先來(lái)了解下STM的工作原理。STM是利用原子間的隧道效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的。2021/5/96隧道效應(yīng)

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)。例如騎自行車過(guò)小坡，先用力騎，如果坡很低，不蹬自行車也能靠慣性過(guò)去。如果坡很高，不蹬自行車，車到一半就停住，然后退回去。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)（quantumtunneling）?？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，但在某些特定的條件下宏觀的隧道效應(yīng)也會(huì)出現(xiàn)。2021/5/97STM就是根據(jù)這種效應(yīng)制成的。當(dāng)針尖和樣品面間距足夠小時(shí)（<0.4nm），在針尖和樣品間施加一偏置電壓，便會(huì)產(chǎn)生隧道效應(yīng)，電子會(huì)穿過(guò)勢(shì)壘，在針尖和樣品間流動(dòng)，形成隧道電流。在相同的偏置電壓下，電流強(qiáng)度對(duì)針尖和樣品間的距離十分敏感，隧道電流隨間距呈指數(shù)變化，樣品表面的形貌影響著隧道電流的劇烈變化，這種電流變化有計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理就可以的到樣品表面的形貌了。2021/5/98STM的結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

帶電極的壓電管（根據(jù)隧道電流的的大小隨時(shí)調(diào)整針尖和樣品的距離，以保持隧道電流的恒定）壓電管控制電壓隧道電流放大器距離控制和掃描單元隧道電壓（用以產(chǎn)生隧道效應(yīng)）數(shù)據(jù)處理及顯示2021/5/99AFM即原子力顯微鏡，它是繼掃描隧道顯微鏡之后發(fā)明的一種具有原子級(jí)高分辨的新型儀器，可以在大氣和液體環(huán)境下對(duì)各種材料和樣品進(jìn)行納米區(qū)域的物理性質(zhì)包括形貌進(jìn)行探測(cè)，或者直接進(jìn)行納米操縱；現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、納米功能材料、生物、化工、食品、醫(yī)藥研究和科研院所各種納米相關(guān)學(xué)科的研究實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域中，成為納米科學(xué)研究的基本工具。2021/5/910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)。2021/5/911原子力顯微鏡的構(gòu)成

2021/5/912原理：當(dāng)原子間距離減小到一定程度以后，原子間的作用力將迅速上升。因此，由顯微探針受力的大小就可以直接換算出樣品表面的高度，從而獲得樣品表面形貌的信息2021/5/9132021/5/914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。

2021/5/915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)激光照射在懸臂的末端時(shí)，其反射光的位置也會(huì)因?yàn)閼冶踓antilever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。2021/5/916

反饋系統(tǒng)：

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)囊苿?dòng)，以保持樣品與針尖保持合適的作用力。2021/5/917原子力顯微鏡（AFM）便是結(jié)合以上三個(gè)部分來(lái)將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)使懸臂擺動(dòng)，再利用激光將光照射在懸臂的末端，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)。2021/5/918成像原理

探針尖和試件表面非常接近時(shí)，二者間的作用力極為復(fù)雜，有原子(分子、離子)間的排斥力(庫(kù)侖力)、吸引力(范德華力)、磁力、靜電力、摩擦力(接觸時(shí))、粘附力、毛細(xì)力等。AFM的檢測(cè)成像用的是原子(分子、離子)間的排斥力(接觸測(cè)量)或吸引力(非接觸測(cè)量)，而其他各種作用力對(duì)AFM的檢測(cè)成像并無(wú)幫助，而只是起干擾影響作用2021/5/9192021/5/920探針－試件間距離在10μm左右時(shí)，空氣阻尼力探針－試件間距離在100～1000nm時(shí)，主要靜電力和磁力相互作用探針－試件間距離在10～100nm處，吸附水膜產(chǎn)生幾百nN吸引力的毛細(xì)力針尖－試件距離到達(dá)10nm左右時(shí)，原子(分子、離子)間吸引的范德華力針尖－試件間距離小到1nm以內(nèi)時(shí)，原子間相互排斥的厙侖力開(kāi)始起作用

3）AFM測(cè)量時(shí)利用的相互作用力

在接觸測(cè)量時(shí)，檢測(cè)的是它們間的相互排斥力；在非接觸測(cè)量時(shí)，檢測(cè)的是它們間的相互吸引力

2021/5/921恒定力量或者恒定高度

AFM信號(hào)反饋模式（作用力的檢測(cè)模式）

2021/5/922表面形貌和材料如何測(cè)量

返回XYZMover垂直信號(hào)的變化即樣本的表面變化懸臂擺動(dòng)的方向XYZ步進(jìn)電機(jī)懸臂擺動(dòng)的方向水平信號(hào)的變化即樣本的材質(zhì)變化2021/5/923AFM有多種工作模式1.接觸模式（ContactMode）：作用力在斥力范圍，力的量級(jí)為10－8～10－11N。可達(dá)到原子級(jí)分辨率。2.非接觸模式（Non-ContactMode）：作用力在引力范圍，包括范德華力、靜電力或磁力等。3.輕敲模式（TappingMode）4.Interleave模式（InterleaveNormalMode/LiftMode）5.力調(diào)制模式（ForceModulationMode）6.力曲線模式（ForceCurveMode）2021/5/924接觸式原子力顯微鏡接觸式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。由于是接觸式掃描，在接觸樣品時(shí)可能樣品表面彎曲。經(jīng)過(guò)多次掃描后，針尖或者樣品有鈍化現(xiàn)象。2021/5/925

特點(diǎn)：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分子、低彈性模量樣品以及容易移動(dòng)和變形的樣品。2021/5/926接觸式（contactmode）

成像結(jié)果2021/5/927非接觸式原子力顯微鏡在非接觸模式中，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，針尖－試件間距離大致在5～20nm。需要使用較堅(jiān)硬的懸臂（防止與樣品接觸）。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。2021/5/928

特點(diǎn)：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。2021/5/929非接觸式（noncontactmode）2021/5/930間歇接觸式原子力顯微鏡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。2021/5/931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，摩擦或者拖拽）。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。2021/5/932

特點(diǎn)：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)”。樣品表面起伏較大的大型掃描比非接觸式的更有效。2021/5/933間歇接觸式（tappingmode）

返回2021/5/934如何提高圖像分辨率1、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。2、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。2021/5/9353、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。4、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。2021/5/936探針2021/5/937AFM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。2021/5/938

探針之與解析度

2021/5/939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。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。2021/5/940微懸臂檢測(cè)方法AFM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：1）隧道電流檢測(cè)法2）電容檢測(cè)法3）光學(xué)檢測(cè)法4）壓敏電阻檢測(cè)法2021/5/9415）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。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2021/5/942AFM應(yīng)用技術(shù)舉例AFM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：1.導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體表面的高分辨成像2.生物樣品、有機(jī)膜的高分辨成像3.表面化學(xué)反應(yīng)研究4.納米加工與操縱2021/5/943

IBM科學(xué)家首次拍下單分子照片2021/5/944用AFM觀察DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)

2021/5/945用AFM觀察細(xì)胞生長(zhǎng)

2021/5/946納米加工

利用AFM可以對(duì)樣品進(jìn)行表面原子搬運(yùn)，原子蝕刻，從而制造納米器件用AFM針尖移動(dòng)Si原子形成的IBM文字STM針尖移動(dòng)原子形成的圖形文字2021/5/947遭瘧疾感染的人體紅血球和藍(lán)藻