AFM簡介實(shí)驗(yàn)課的課件資料

AFM簡介實(shí)驗(yàn)課的課件資料第1頁/共57頁顯微鏡發(fā)展歷史第一代：光學(xué)顯微鏡(1676)第二代：電子顯微鏡(1938)

第三代：掃描探針顯微鏡SPM（1982）第2頁/共57頁光學(xué)顯微鏡

*S衍射屏觀察屏a剛可分辨不可分辨衍射效應(yīng)r~0.2um（3000倍）最小分辨距離：阿貝公式第3頁/共57頁

1938年：第一臺透射電子顯微鏡（TEM）。1952年：第一臺掃描電子顯微鏡（SEM）。電子顯微鏡的分辨率可以達(dá)到納米級（10-9m）。電子顯微鏡樣品處理過程復(fù)雜要在高真空的環(huán)境下操作電子波長比可見光短得多。制成電子顯微鏡將具有更高的分辨本領(lǐng)。第4頁/共57頁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)展起來的一大類顯微鏡，通過探測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。第5頁/共57頁第6頁/共57頁發(fā)展歷史工作原理應(yīng)用基本原理儀器構(gòu)成工作模式第7頁/共57頁

1982年，GerdBinnig和HeinrichRohrer發(fā)明掃描隧道顯微鏡（STM)，獲得1986年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。賓尼羅雷爾基本原理在STM基礎(chǔ)上發(fā)展而來——STM原理第8頁/共57頁基本原理在STM基礎(chǔ)上發(fā)展而來電子隧道效應(yīng)

隧道電流隨探針樣品間距離減小而呈指數(shù)增加．d<1nm——STM原理樣品導(dǎo)電性要好第9頁/共57頁

1986，IBM，葛·賓尼（G.Binnig）發(fā)明了原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscope,AFM)——新一代表面觀測儀器．原理：利用原子之間的范德華力（VanDerWaalsForce）作用來呈現(xiàn)樣品的表面特性基本原理第10頁/共57頁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第11頁/共57頁samplescannercantileverphotodetectorlaserdiode微懸臂激光二極管光電檢測器第12頁/共57頁基本原理第13頁/共57頁AFM信號反饋模式基本原理第14頁/共57頁力檢測部分光學(xué)檢測部分反饋電子系統(tǒng)壓電掃描系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)儀器構(gòu)成第15頁/共57頁接觸模式(contactmode)非接觸模式(non-contactmode)輕敲模式(tapping/intermittentcontactmode)

vanderWaalsforcecurve工作模式第16頁/共57頁針尖始終向樣品接觸并簡單地在表面上移動，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＜０.０３nm第17頁/共57頁優(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-接觸模式第18頁/共57頁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，通過控制微懸臂振幅恒定來獲得樣品表面信息的。

第19頁/共57頁優(yōu)點(diǎn)：對樣品無損傷

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)定和對樣品的破壞。

工作模式-非接觸模式第20頁/共57頁介于接觸模式和非接觸模式之間:

其特點(diǎn)是掃描過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-輕敲模式第21頁/共57頁特點(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樣品的破壞幾乎完全消失；工作模式-輕敲模式第22頁/共57頁工作模式-輕敲模式第23頁/共57頁相位成像(phaseimaging)技術(shù)通過輕敲模式掃描過程中振動微懸臂的相位變化來檢測表面組分,粘附性,摩擦,粘彈性和其他性質(zhì)的變化.第24頁/共57頁基本原理第25頁/共57頁基本原理第26頁/共57頁原子力顯微鏡之解析度基本原理第27頁/共57頁基本原理第28頁/共57頁基本原理第29頁/共57頁氮化硅探針針尖放大圖基本原理第30頁/共57頁為克服“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基本原理第31頁/共57頁AFM技術(shù)的主要特點(diǎn):優(yōu)點(diǎn):制樣相對簡單,多數(shù)情況下對樣品不破壞.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.操作簡單,對附屬設(shè)備要求低.缺點(diǎn):對試樣仍有較高要求,特別是平整度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果對針尖有較高的依賴性(針尖效應(yīng)).仍然屬于表面表征技術(shù),需和其他測試手段結(jié)合.第32頁/共57頁主要內(nèi)容發(fā)展歷史工作原理應(yīng)用第33頁/共57頁原子力顯微鏡的應(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)……第34頁/共57頁用AFM觀察DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)生物和生命科學(xué)第35頁/共57頁用AFM觀察細(xì)胞生長生物和生命科學(xué)第36頁/共57頁用AFM觀察集成電路的線路刻蝕情況微電子科學(xué)和技術(shù)第37頁/共57頁高分子領(lǐng)域的應(yīng)用第38頁/共57頁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。第39頁/共57頁聚合物膜表面形貌與相分離觀察對非晶態(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“平坦”的情況下,也能較好地反映出聚合物的相分離后,不同類型聚合物的所在區(qū)域。第40頁/共57頁高分子結(jié)晶形態(tài)觀察第41頁/共57頁聚苯乙烯/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)觀察第42頁/共57頁第43頁/共57頁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粗糙度研究第44頁/共57頁1表面整體形態(tài)研究第45頁/共57頁2孔徑(分布),粒度（分布）研究第46頁/共57頁SectionanalysisofTM-AFMimage.第47頁/共57頁Tappingmodeatomicforcemicrographs第48頁/共57頁第49頁/共57頁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。第50頁/共57頁

膜污染研究-超濾膜或微濾膜新膜表面三維圖X—1μm/格;Z—50nm/格污染膜表面三維圖X—1μm/格;Z—2000nm/格第51頁/共57頁