掃描探針顯微技術(shù)之二原子力顯微鏡AFM技術(shù)演示文稿

掃描探針顯微技術(shù)之二原子力顯微鏡AFM技術(shù)演示文稿當(dāng)前第1頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)主要內(nèi)容發(fā)展歷史基本原理應(yīng)用當(dāng)前第2頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)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。當(dāng)前第3頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)

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當(dāng)前第4頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)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當(dāng)前第5頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)samplescannercantileverphotodetectorlaserdiode微懸臂激光二極管光電檢測器當(dāng)前第6頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)基本原理當(dāng)前第7頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)AFM信號反饋模式基本原理當(dāng)前第8頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)微懸臂位移量的檢測方式當(dāng)前第9頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)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)成當(dāng)前第10頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)接觸模式(contactmode)非接觸模式(non-contactmode)輕敲模式(tapping/intermittentcontactmode)

vanderWaalsforcecurve工作模式當(dāng)前第11頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)針尖始終向樣品接觸并簡單地在表面上移動(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當(dāng)前第12頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)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-接觸模式當(dāng)前第13頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)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。

當(dāng)前第14頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)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-非接觸模式當(dāng)前第15頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)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-輕敲模式當(dāng)前第16頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)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-輕敲模式當(dāng)前第17頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)工作模式-輕敲模式當(dāng)前第18頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)當(dāng)前第19頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)當(dāng)前第20頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)相位成像(phaseimaging)技術(shù)通過輕敲模式掃描過程中振動(dòng)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.當(dāng)前第21頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)基本原理當(dāng)前第22頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)基本原理當(dāng)前第23頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)原子力顯微鏡之解析度基本原理當(dāng)前第24頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)基本原理當(dāng)前第25頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)基本原理當(dāng)前第26頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)氮化硅探針針尖放大圖基本原理當(dāng)前第27頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)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基本原理當(dāng)前第28頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)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.當(dāng)前第29頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)主要內(nèi)容發(fā)展歷史工作原理應(yīng)用當(dāng)前第30頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)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)……當(dāng)前第31頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)用AFM觀察DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)生物和生命科學(xué)當(dāng)前第32頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)用AFM觀察細(xì)胞生長生物和生命科學(xué)當(dāng)前第33頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)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)當(dāng)前第34頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)高分子領(lǐng)域的應(yīng)用當(dāng)前第35頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)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。當(dāng)前第36頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)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。當(dāng)前第37頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)高分子結(jié)晶形態(tài)觀察當(dāng)前第38頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)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)觀察當(dāng)前第39頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)當(dāng)前第40頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)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粗糙度研究當(dāng)前第41頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)1表面整體形態(tài)研究當(dāng)前第42頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)2孔徑(分布),粒度（分布）研究當(dāng)前第43頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)SectionanalysisofTM-AFMimage.當(dāng)前第44頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)Tappingmodeatomicforcemicrographs當(dāng)前第45頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)當(dāng)前第46頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)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。當(dāng)前第47頁\共有51頁\編于星期四\0點(diǎn)

膜污染研究-超濾膜或微濾膜新膜表面三維圖X—1μm/格;