原子力顯微鏡的原理與應(yīng)用

1、AFM的工作原理和的工作原理和應(yīng)用應(yīng)用姓名：趙慧旭姓名：趙慧旭學(xué)號：學(xué)號：2120110242鉑悅（上海）有限公司鉑悅（上海）有限公司Multimode生物型原子力顯微鏡生物型原子力顯微鏡 工工 作作 原原 理及儀理及儀 器器 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 操操 作作 模模 式式 常常 見見 問問 題題 應(yīng)應(yīng) 用用 舉舉 例例一、一、AFM的基本原理：的基本原理： 將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存接觸，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的作用

2、力，通過在掃描時控制這種力在極微弱的作用力，通過在掃描時控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對應(yīng)于針尖與樣的恒定，帶有針尖的微懸臂將對應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運(yùn)動。利用光學(xué)檢測法或隧道的表面方向起伏運(yùn)動。利用光學(xué)檢測法或隧道電流檢測法，可測得微懸臂對應(yīng)于掃描各點的電流檢測法，可測得微懸臂對應(yīng)于掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。 AFM AFM原理圖原理圖 二極管激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)聚焦在二極管激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)聚焦在微懸臂背面，并從

3、微懸臂背面反射到由光電二極管構(gòu)微懸臂背面，并從微懸臂背面反射到由光電二極管構(gòu)成的光斑位置檢測器。在樣品掃描時，由于樣品表面成的光斑位置檢測器。在樣品掃描時，由于樣品表面的原子與微懸臂探針尖端的原子間的相互作用力，微的原子與微懸臂探針尖端的原子間的相互作用力，微懸臂將隨樣品表面形貌而彎曲起伏，反射光束也將隨懸臂將隨樣品表面形貌而彎曲起伏，反射光束也將隨之偏移，因而，通過光電二極管檢測光斑位置的變化，之偏移，因而，通過光電二極管檢測光斑位置的變化，就能獲得被測樣品表面形貌的信息。就能獲得被測樣品表面形貌的信息。 在系統(tǒng)檢測成像全過程中，探針和被測樣品間的在系統(tǒng)檢測成像全過程中，探針和被測樣品間的距

4、離始終保持在納米量級，距離太大不能獲得樣品表距離始終保持在納米量級，距離太大不能獲得樣品表面的信息，距離太小會損傷探針和被測樣品。反饋回面的信息，距離太小會損傷探針和被測樣品。反饋回路在工作過程中，由探針得到探針路在工作過程中，由探針得到探針-樣品相互作用的樣品相互作用的強(qiáng)度，來改變加在樣品掃描器的伸縮，調(diào)節(jié)探針和被強(qiáng)度，來改變加在樣品掃描器的伸縮，調(diào)節(jié)探針和被測樣品間的距離，反過來控制探針測樣品間的距離，反過來控制探針-樣品相互作用的樣品相互作用的強(qiáng)度，實現(xiàn)反饋控制。反饋控制是本系統(tǒng)的核心工作強(qiáng)度，實現(xiàn)反饋控制。反饋控制是本系統(tǒng)的核心工作機(jī)制。機(jī)制。以激光檢測原子力顯微鏡以激光檢測原子力顯微

5、鏡AFM為例，來詳細(xì)說為例，來詳細(xì)說明其工作原理明其工作原理原子力顯微鏡原子力顯微鏡與掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡最大的差別在于并非利用電子隧道效應(yīng)，而是利用原子之間的范德華力范德華力作用來呈現(xiàn)樣品的表面特性。假設(shè)兩個原子中，一個是在懸臂的探針尖端，另一個是在樣本的表面，它們之間的作用力會隨距離的改變而變化，其作用力與距離的關(guān)系如圖所示。當(dāng)原子與原子很接近時，彼此電子云斥力的作用大于原子核與電子云之間的吸引力作用，所以整個合力表現(xiàn)為斥力的作用，反之若兩原子分開有一定距離時，其電子云斥力的作用小于彼此原子核與電子云之間的吸引力作用，故整個合力表現(xiàn)為引力的作用。原子之間的交互作用力原子之間的交互作

6、用力二、操作模式二、操作模式 原子力顯微鏡的系統(tǒng)中，是利用微小探針與待測物原子力顯微鏡的系統(tǒng)中，是利用微小探針與待測物之間交互作用力，來呈現(xiàn)待測物的表面之物理特性。原之間交互作用力，來呈現(xiàn)待測物的表面之物理特性。原子力顯微鏡利用斥力與吸引力的方式發(fā)展出三種基本的子力顯微鏡利用斥力與吸引力的方式發(fā)展出三種基本的操作模式：操作模式： （1）利用原子斥力的變化而產(chǎn)生表面輪廓為）利用原子斥力的變化而產(chǎn)生表面輪廓為接觸式原接觸式原子力顯微鏡（子力顯微鏡（contact AFM），探針與試片的距離約幾，探針與試片的距離約幾個個。 （2）利用原子吸引力的變化而產(chǎn)生表面輪廓為）利用原子吸引力的變化而產(chǎn)生表面輪

7、廓為非接觸非接觸式原子力顯微鏡（式原子力顯微鏡（non-contact AFM），探針與試片的距，探針與試片的距離約幾十到幾百個離約幾十到幾百個。 （3）敲擊式敲擊式AFM與非接觸式與非接觸式AFM比較相似，但它比非比較相似，但它比非接觸式接觸式AFM有更近的樣品與針尖距離一種恒定的驅(qū)動有更近的樣品與針尖距離一種恒定的驅(qū)動力使探針懸臂以一定的頻率振動力使探針懸臂以一定的頻率振動(一般為幾百千赫茲一般為幾百千赫茲)。 三種模式的比較：三種模式的比較：接觸模式（接觸模式（Contact Mode）：）： 優(yōu)點優(yōu)點：掃描速度快，是唯一能夠獲得：掃描速度快，是唯一能夠獲得“原子分辨率原子分辨率”圖像的

8、圖像的AFM。垂。垂直方向上有明顯變化的質(zhì)硬樣品，有時更適于用接觸式掃描成像。直方向上有明顯變化的質(zhì)硬樣品，有時更適于用接觸式掃描成像。 缺點缺點：橫向力影響圖像質(zhì)量。在空氣中，因為樣品表面吸附液層的毛：橫向力影響圖像質(zhì)量。在空氣中，因為樣品表面吸附液層的毛細(xì)作用，使針尖與樣品之間的粘著力很大。橫向力與粘著力的合力導(dǎo)細(xì)作用，使針尖與樣品之間的粘著力很大。橫向力與粘著力的合力導(dǎo)致圖像空間分辨率降低，而且針尖刮擦樣品會損壞軟質(zhì)樣品（如生物致圖像空間分辨率降低，而且針尖刮擦樣品會損壞軟質(zhì)樣品（如生物樣品，聚合體等）。樣品，聚合體等）。 非接觸模式（非接觸模式（Non-Contact Mode）：）：

9、 優(yōu)點優(yōu)點：沒有刮擦作用于樣品表面。：沒有刮擦作用于樣品表面。 缺點缺點：由于針尖與樣品分離，橫向分辨率低；為了避免接觸吸附層而：由于針尖與樣品分離，橫向分辨率低；為了避免接觸吸附層而導(dǎo)致針尖膠粘，其掃描速度低于輕敲式和接觸式導(dǎo)致針尖膠粘，其掃描速度低于輕敲式和接觸式AFM。通常僅用于非。通常僅用于非常怕水的樣品，吸附液層必須薄，如果太厚，針尖會陷入液層，引起常怕水的樣品，吸附液層必須薄，如果太厚，針尖會陷入液層，引起反饋不穩(wěn)，刮擦樣品。由于上述缺點，非接觸模式的使用受到限制。反饋不穩(wěn)，刮擦樣品。由于上述缺點，非接觸模式的使用受到限制。 輕敲模式（輕敲模式（Tapping Mode）：）： 優(yōu)

10、點優(yōu)點：很好的消除了橫向力的影響。降低了由吸附液層引起的力，圖：很好的消除了橫向力的影響。降低了由吸附液層引起的力，圖像分辨率高，適于觀測軟、易碎、或膠粘性樣品，不會損傷其表面。像分辨率高，適于觀測軟、易碎、或膠粘性樣品，不會損傷其表面。 缺點缺點：比接觸模式：比接觸模式AFM 的掃描速度慢。的掃描速度慢。 實際工作情況實際工作情況 ： 實際的實際的AFM工作時并沒有讓探針保持在同一高度。因為如果樣品表面太凹，工作時并沒有讓探針保持在同一高度。因為如果樣品表面太凹，探針離樣品表面太遠(yuǎn)，原子間作用力就太微弱；而如果樣品面太凸，探針離探針離樣品表面太遠(yuǎn)，原子間作用力就太微弱；而如果樣品面太凸，探針

11、離樣品表面太近，探針就要劃破樣品。樣品表面太近，探針就要劃破樣品。 實際選擇的方案是，讓探針隨凹凸不平的樣品表面上下移動，始終保持實際選擇的方案是，讓探針隨凹凸不平的樣品表面上下移動，始終保持固定的距離，固定的距離， 即保持原子力的大小不即保持原子力的大小不 變。在樣品表面凹的地方，變。在樣品表面凹的地方， 原子力小原子力小了，探針就下來一點了，探針就下來一點 ，而在樣品表面凸的地方，原子力大了點，探針上去一，而在樣品表面凸的地方，原子力大了點，探針上去一點。探針這樣一上一下的移動其實也描繪了樣品表面點。探針這樣一上一下的移動其實也描繪了樣品表面 的大致輪廓。的大致輪廓。 AFM利用了范德華力

12、在小范圍內(nèi)可以看成與距離成正比這一特點來工作利用了范德華力在小范圍內(nèi)可以看成與距離成正比這一特點來工作的。因為只有成正比，的。因為只有成正比， 任何部分按同一比例放大，樣品的面目才不會失真。任何部分按同一比例放大，樣品的面目才不會失真。 至于選擇在范德華力的哪一范圍工作，這倒不是原則性問題。實際應(yīng)用中，至于選擇在范德華力的哪一范圍工作，這倒不是原則性問題。實際應(yīng)用中，根據(jù)不同的需要，原子力顯微鏡可以選擇在斥力范圍工作，也可以選擇在吸根據(jù)不同的需要，原子力顯微鏡可以選擇在斥力范圍工作，也可以選擇在吸引力范圍工作。引力范圍工作。 優(yōu)點：優(yōu)點：一：不同于電子顯微鏡只能提供二維圖像，一：不同于電子顯微

13、鏡只能提供二維圖像，AFM提供真正的三維表面圖。提供真正的三維表面圖。二：二： AFM不需要對樣品的任何特殊處理，如鍍銅或碳，這種處理對樣品不需要對樣品的任何特殊處理，如鍍銅或碳，這種處理對樣品 會造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。會造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。三：電子顯微鏡需要運(yùn)行在高真空條件下，原子力顯微鏡在常壓下甚至三：電子顯微鏡需要運(yùn)行在高真空條件下，原子力顯微鏡在常壓下甚至在液體環(huán)境下都可以良好工作?？捎脕硌芯可锖暧^分子，甚至活的在液體環(huán)境下都可以良好工作?？捎脕硌芯可锖暧^分子，甚至活的生物組織。生物組織。四：四： 原子力顯微鏡與掃描隧道顯微鏡相比，由于能觀測非導(dǎo)電樣品，因原子力顯微鏡與掃描隧道顯微鏡

14、相比，由于能觀測非導(dǎo)電樣品，因此具有更為廣泛的適用性。此具有更為廣泛的適用性。 缺點：缺點：一：和掃描電子顯微鏡相比，一：和掃描電子顯微鏡相比，AFM的缺點在于成像范圍太小的缺點在于成像范圍太小,速度慢，受速度慢，受 探頭的影響太大。探頭的影響太大。三、三、 AFM假象（常見問題）假象（常見問題） 在所有顯微學(xué)技術(shù)中，在所有顯微學(xué)技術(shù)中，AFM圖像的解圖像的解釋相對來說是容易的。光學(xué)顯微鏡和電子釋相對來說是容易的。光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡成像都受電磁衍射的影響，這給它顯微鏡成像都受電磁衍射的影響，這給它們辨別三維結(jié)構(gòu)帶來困難。們辨別三維結(jié)構(gòu)帶來困難。AFM可以彌補(bǔ)可以彌補(bǔ)這些不足，在這些不足，在

15、AFM圖像中峰和谷明晰可見。圖像中峰和谷明晰可見。AFM的另一優(yōu)點是光或電對它成像基本沒的另一優(yōu)點是光或電對它成像基本沒有影響，有影響，AFM能測得表面的真實形貌。盡能測得表面的真實形貌。盡管管AFM成像簡單，但成像簡單，但AFM本身也有假象存在。本身也有假象存在。相對來說，相對來說，AFM的假象比較容易驗證。下的假象比較容易驗證。下面介紹一些假象情況：面介紹一些假象情況： (1)針尖成像：針尖成像：AFM中大多數(shù)假象源于針尖成像。如圖所中大多數(shù)假象源于針尖成像。如圖所示，針尖比樣品特征尖銳時，樣品特征就能很好地顯示，針尖比樣品特征尖銳時，樣品特征就能很好地顯現(xiàn)出來。相反，當(dāng)樣品比針尖更尖時，

16、假象就會出現(xiàn)，現(xiàn)出來。相反，當(dāng)樣品比針尖更尖時，假象就會出現(xiàn)，這時成像主要為針尖特征。高表面率的針尖可以減少這時成像主要為針尖特征。高表面率的針尖可以減少這種假象發(fā)生。這種假象發(fā)生。真實圖像真實圖像(a)與針尖成像與針尖成像(b)的對比的對比 (2)鈍的或污染的針尖產(chǎn)生假象：當(dāng)針尖污染或有磨鈍的或污染的針尖產(chǎn)生假象：當(dāng)針尖污染或有磨損時，所獲圖像有時是針尖的磨損形狀或污染物的損時，所獲圖像有時是針尖的磨損形狀或污染物的形狀。這種假象的特征是整幅圖像都有同樣的特征。形狀。這種假象的特征是整幅圖像都有同樣的特征。 鈍的或污染的針尖產(chǎn)生假象鈍的或污染的針尖產(chǎn)生假象(3)雙針尖或多針尖假象：這種假象是

17、由于一個探針雙針尖或多針尖假象：這種假象是由于一個探針末端帶有兩個或多個尖點所致。當(dāng)掃描樣品時，末端帶有兩個或多個尖點所致。當(dāng)掃描樣品時，多個針尖依次掃描樣品而得到重復(fù)圖像。多個針尖依次掃描樣品而得到重復(fù)圖像。 雙針尖或多針尖假象雙針尖或多針尖假象 (4)樣品上污物引起的假象：當(dāng)樣品上的污物與基底吸樣品上污物引起的假象：當(dāng)樣品上的污物與基底吸 附不牢時，污物可能被正在掃描的針尖帶走。并隨附不牢時，污物可能被正在掃描的針尖帶走。并隨針尖運(yùn)動，致使大面積圖像模糊不清。針尖運(yùn)動，致使大面積圖像模糊不清。 樣品上污物引起的假象樣品上污物引起的假象樣品的要求樣品的要求 原子力顯微鏡研究對象可以是有機(jī)固體

18、、聚合物以原子力顯微鏡研究對象可以是有機(jī)固體、聚合物以及生物大分子等，樣品的載體選擇范圍很大，包括云母及生物大分子等，樣品的載體選擇范圍很大，包括云母片、玻璃片、石墨、拋光硅片、二氧化硅和某些生物膜片、玻璃片、石墨、拋光硅片、二氧化硅和某些生物膜等，其中最常用的是新剝離的云母片，主要原因是其非等，其中最常用的是新剝離的云母片，主要原因是其非常平整且容易處理。而拋光硅片最好要用濃硫酸與常平整且容易處理。而拋光硅片最好要用濃硫酸與30%雙氧水的雙氧水的7 3 混合液在混合液在90 下煮下煮1h 。利用電性能測試。利用電性能測試時需要導(dǎo)電性能良好的載體，如石墨或鍍有金屬的基片。時需要導(dǎo)電性能良好的載體，如石墨或鍍有金屬的基片。 試樣的厚度，包括試樣臺的厚度，最大為試樣的厚度，包括試樣臺的厚度，最大為10 mm。如果試樣過重，有時會影響掃描儀的動作，不要放過重如果試樣過重，有時會影響掃描儀的動作，不要放過重的試樣。試樣的大小以不大于試樣臺的大?。ㄖ?/p>