掃描探針顯微技術(shù)之二-原子力顯微鏡(AFM)技術(shù)(深度講解)課件

原子力顯微鏡

AtomicForceMicroscopy1詳細(xì)課資主要內(nèi)容發(fā)展歷史基本原理應(yīng)用2詳細(xì)課資scanningtunnelingMicroscopy(STM，1982)Atomicforcemicroscopy(AFM)LateralForceMicroscopy(LFM)MagneticForceMicroscopy(MFM)ElectrostaticForceMicroscopy(EFM)ChemicalForceMicroscopy(CFM)NearFieldScanningOpticalMicroscopy(NSOM)掃描探針顯微鏡SPM

SPM是指在STM基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一大類(lèi)顯微鏡，通過(guò)探測(cè)極小探針與表面之間的物理作用量如光、電、磁、力等的大小而獲得表面信息。3詳細(xì)課資

1986，IBM，葛·賓尼（G.Binnig）發(fā)明了原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscope,AFM)——新一代表面觀測(cè)儀器．原理：利用原子之間的范德華力（VanDerWaalsForce）作用來(lái)呈現(xiàn)樣品的表面特性基本原理4詳細(xì)課資基本原理原子間的作用力吸引部分排斥部分Fpaird原子原子排斥力原子原子吸引力5詳細(xì)課資samplescannercantileverphotodetectorlaserdiode微懸臂激光二極管光電檢測(cè)器6詳細(xì)課資基本原理7詳細(xì)課資AFM信號(hào)反饋模式基本原理8詳細(xì)課資微懸臂位移量的檢測(cè)方式9詳細(xì)課資力檢測(cè)部分光學(xué)檢測(cè)部分反饋電子系統(tǒng)壓電掃描系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)儀器構(gòu)成10詳細(xì)課資接觸模式(contactmode)非接觸模式(non-contactmode)輕敲模式(tapping/intermittentcontactmode)

vanderWaalsforcecurve工作模式11詳細(xì)課資針尖始終向樣品接觸并簡(jiǎn)單地在表面上移動(dòng)，針尖—樣品間的相互作用力是互相接觸原于的電子間存在的庫(kù)侖排斥力，其大小通常為10－8

—10－11N。vanderWaalsforcecurve工作模式-接觸模式d＜０.０３nm12詳細(xì)課資優(yōu)點(diǎn)：可產(chǎn)生穩(wěn)定、高分辨圖像。缺點(diǎn)：可能使樣品產(chǎn)生相當(dāng)大的變形，對(duì)柔軟的樣品造成破壞，以及破壞探針，嚴(yán)重影響AFM成像質(zhì)量。工作模式-接觸模式13詳細(xì)課資相互作用力是范德華吸引力，遠(yuǎn)小于排斥力.

vanderWaalsforcecurved:5~20nm振幅：2nm～5nm工作模式-非接觸模式范德華吸引力微懸臂以共振頻率振蕩，通過(guò)控制微懸臂振幅恒定來(lái)獲得樣品表面信息的。

14詳細(xì)課資優(yōu)點(diǎn)：對(duì)樣品無(wú)損傷

缺點(diǎn)：

1）分辨率要比接觸式的低。2）氣體的表面壓吸附到樣品表面，造成圖像數(shù)據(jù)不穩(wěn)定和對(duì)樣品的破壞。

工作模式-非接觸模式15詳細(xì)課資介于接觸模式和非接觸模式之間:

其特點(diǎn)是掃描過(guò)程中微懸臂也是振蕩的并具有比非接觸模式更大的振幅(5~100nm)，針尖在振蕩時(shí)間斷地與樣品接觸。

vanderWaalsforcecurve振幅：5nm～100nm工作模式-輕敲模式16詳細(xì)課資特點(diǎn)：

1）分辨率幾乎同接觸模式一樣好；

2）接觸非常短暫，因此剪切力引起的對(duì)樣品的破壞幾乎完全消失；工作模式-輕敲模式17詳細(xì)課資工作模式-輕敲模式18詳細(xì)課資19詳細(xì)課資20詳細(xì)課資相位成像(phaseimaging)技術(shù)通過(guò)輕敲模式掃描過(guò)程中振動(dòng)微懸臂的相位變化來(lái)檢測(cè)表面組分,粘附性,摩擦,粘彈性和其他性質(zhì)的變化.21詳細(xì)課資基本原理22詳細(xì)課資基本原理23詳細(xì)課資原子力顯微鏡之解析度基本原理24詳細(xì)課資基本原理25詳細(xì)課資基本原理26詳細(xì)課資氮化硅探針針尖放大圖基本原理27詳細(xì)課資為克服“加寬效應(yīng)”：一方面可發(fā)展制造尖端更尖的探針技術(shù)，另一方面對(duì)標(biāo)準(zhǔn)探針進(jìn)行修飾也可提高圖像質(zhì)量。

針尖技術(shù)單碳納米壁管直徑0.7～5nm基本原理28詳細(xì)課資AFM技術(shù)的主要特點(diǎn):優(yōu)點(diǎn):制樣相對(duì)簡(jiǎn)單,多數(shù)情況下對(duì)樣品不破壞.具有高分辨率，三維立體的成像能力，可同時(shí)得到盡可能多的信息.操作簡(jiǎn)單,對(duì)附屬設(shè)備要求低.缺點(diǎn):對(duì)試樣仍有較高要求,特別是平整度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)針尖有較高的依賴(lài)性(針尖效應(yīng)).仍然屬于表面表征技術(shù),需和其他測(cè)試手段結(jié)合.29詳細(xì)課資主要內(nèi)容發(fā)展歷史工作原理應(yīng)用30詳細(xì)課資原子力顯微鏡的應(yīng)用金屬半導(dǎo)體材料化學(xué)納米材料生命科學(xué)微加工技術(shù)……31詳細(xì)課資用AFM觀察DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)生物和生命科學(xué)32詳細(xì)課資用AFM觀察細(xì)胞生長(zhǎng)生物和生命科學(xué)33詳細(xì)課資用AFM觀察集成電路的線(xiàn)路刻蝕情況微電子科學(xué)和技術(shù)34詳細(xì)課資高分子領(lǐng)域的應(yīng)用35詳細(xì)課資聚合物膜表面形貌與相分離觀察Kajiyama等人應(yīng)用AFM研究了單分散聚苯乙烯(PS)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混成膜的相分離情況。膜較厚時(shí)(25μｍ),看不到分相。膜厚100nｍ時(shí),可以得到PMMA呈島狀分布在PS中的AFM圖象。36詳細(xì)課資聚合物膜表面形貌與相分離觀察對(duì)非晶態(tài)聚合物膜,形貌圖信息較為有限。AFM“相成像”方式(phaseimaging)得到的數(shù)據(jù)與樣品表面硬度和粘彈性有關(guān)，可以觀察相分離．即使在樣品表面相對(duì)“平坦”的情況下,也能較好地反映出聚合物的相分離后,不同類(lèi)型聚合物的所在區(qū)域。37詳細(xì)課資高分子結(jié)晶形態(tài)觀察38詳細(xì)課資聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物的苯溶液在ＬＢ膜槽內(nèi)分散,而后在極低的表面壓下(<0.1ｍＮ/ｍ)將分子沉積在新鮮云母表面。非晶態(tài)單鏈高分子結(jié)構(gòu)觀察39詳細(xì)課資40詳細(xì)課資AFM在聚合物膜研究中的應(yīng)用1表面整體形態(tài)研究2孔徑(分布),粒度（分布）研究3粗糙度研究41詳細(xì)課資1表面整體形態(tài)研究42詳細(xì)課資2孔徑(分布),粒度（分布）研究43詳細(xì)課資SectionanalysisofTM-AFMimage.44詳細(xì)課資Tappingmodeatomicforcemicrographs45詳細(xì)課資46詳細(xì)課資3粗糙度研究粗糙度（Surfaceroughness）表示膜表面形態(tài)間的差異，影響著膜的物理和化學(xué)性能、膜表面的污染程度和膜的水通量。47詳細(xì)課資

膜污染研究-超濾膜或微濾膜新膜表面三維圖X—1μm/格