原子力顯微鏡AFM

1、原子力顯微鏡原子力顯微鏡Atomic force microscopy， AFM王王 景景 風(fēng)風(fēng)目目 錄錄 1. 概述概述 2. AFM的工作的工作原理及工作模式原理及工作模式 3. 應(yīng)用及實例解釋應(yīng)用及實例解釋1. 概概 述述 顯微技術(shù)是人們認(rèn)識材料微觀結(jié)構(gòu)的重要途徑，顯微技術(shù)是人們認(rèn)識材料微觀結(jié)構(gòu)的重要途徑，其發(fā)展歷程是從其發(fā)展歷程是從光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡電子顯微鏡電子顯微鏡掃掃描探針技術(shù)描探針技術(shù)。這也使得人們對于微觀世界的認(rèn)識越。這也使得人們對于微觀世界的認(rèn)識越來越深入，從微米級、亞微米級發(fā)展到納米級乃至來越深入，從微米級、亞微米級發(fā)展到納米級乃至原子級分辨率。原子級分辨率。 原子力顯

2、微鏡（原子力顯微鏡（atomic force microscopy，AFM）就是近代發(fā)展起來的掃描探針顯微鏡就是近代發(fā)展起來的掃描探針顯微鏡( (scanning probe microscopy，SPM) )家族中應(yīng)用最為廣泛的一家族中應(yīng)用最為廣泛的一員。員。 1.1 掃描探針顯微鏡掃描探針顯微鏡掃描探針顯微鏡掃描探針顯微鏡 (SPM) (SPM)： 使用一個尖銳的探針在樣品表面掃描，在掃描過程中記錄探針與樣品的相互作用，從而得到樣品的表面信息。成像原理成像原理適用樣品適用樣品分辨率分辨率掃描隧道顯微鏡Scanning tunneling microscope, STM隧道電流導(dǎo)體或半導(dǎo)體材

3、料橫向分辨率0.1nm;垂直方向分辨率0.01nm原子力顯微鏡Atomic force microscopy，AFM針尖與試樣之間的相互作用力導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣材料橫向分辨率納米級；垂直方向分辨率0.1nm表1.1 STM與AFM的比較指指 標(biāo)標(biāo)AFMTEMSEM空間分辨率原子級0.1nm點分辨率0.30.5nm36nm試樣環(huán)境大氣環(huán)境、液相、真空高真空高真空圖像形式二維、三維圖像二維圖像二維圖像試樣損傷幾乎無對電子束敏感物質(zhì)有損傷對電子束敏感物質(zhì)有損傷力學(xué)性質(zhì)局部微區(qū)力學(xué)性能無無表表1.2 AFM、TEM和和SEM的主要性能指標(biāo)的主要性能指標(biāo) 1.2 AFM主要功能主要功能 高空間分辨率描述

4、物質(zhì)表面微觀結(jié)構(gòu)；高空間分辨率描述物質(zhì)表面微觀結(jié)構(gòu)； 能夠用于表征固體物質(zhì)表面局部微小區(qū)域的力學(xué)能夠用于表征固體物質(zhì)表面局部微小區(qū)域的力學(xué)和物理性質(zhì)，例如定量測定粗糙度、彈性模量、硬和物理性質(zhì)，例如定量測定粗糙度、彈性模量、硬度、黏彈性質(zhì)等；度、黏彈性質(zhì)等； 原子分子搬遷，應(yīng)用原子分子搬遷，應(yīng)用AFM針尖在納米尺寸對材針尖在納米尺寸對材料表面作微機械加工、表面改性或改變大分子取向料表面作微機械加工、表面改性或改變大分子取向和信息技術(shù)中的高密度存儲技術(shù)等。和信息技術(shù)中的高密度存儲技術(shù)等。2. AFM的工作原理及工作模式的工作原理及工作模式2.1 AFM的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理圖圖2.1

5、AFM的結(jié)構(gòu)和原理簡圖的結(jié)構(gòu)和原理簡圖作用力作用力F與形變與形變z之之間的關(guān)系：間的關(guān)系：F=k zk: 微懸臂的彈性常數(shù)微懸臂的彈性常數(shù)z：微懸臂發(fā)生的微：微懸臂發(fā)生的微小彈性變形小彈性變形微懸臂微小形變的大小的檢測方法有：微懸臂微小形變的大小的檢測方法有： 光學(xué)檢測法光學(xué)檢測法 電容檢測法電容檢測法 壓敏電阻檢測法等壓敏電阻檢測法等圖圖2.2 光束偏轉(zhuǎn)檢測型光束偏轉(zhuǎn)檢測型AFM儀器結(jié)構(gòu)儀器結(jié)構(gòu)與工作原理簡圖與工作原理簡圖2.2 AFM的工作模式的工作模式原子間范德華力圖2.3 各種工作模式在針尖-試樣力曲線中所處的范圍2.2.1 接觸模式接觸模式圖圖2.4 接觸模式工作原理接觸模式工作原理

6、 探針接觸樣品表面，發(fā)生形變，探針接觸樣品表面，發(fā)生形變，向上彎曲；向上彎曲； 接收器接收器Up-Down信號發(fā)生改變；信號發(fā)生改變； 反饋系統(tǒng)通過反饋系統(tǒng)通過Vz控制掃描器的伸控制掃描器的伸縮，使縮，使Up-Down信號維持恒定；信號維持恒定； 記錄在每個掃描點記錄在每個掃描點(x,y) 的伸縮的伸縮電壓電壓V(x,y)； 通過通過V(x,y)，即可計算出樣品的，即可計算出樣品的表面形貌表面形貌T(x,y)；a. 高度像高度像b. 偏差像偏差像 成像信號是針尖-試樣的真實垂直方向力與操作者選定力大小之間的差值。ab圖2.5 Si片ALD 100nm ZnO的AFM圖。a. 高度像；b. 偏差

7、像c. 側(cè)向力像側(cè)向力像圖2.6 接觸模式測定懸臂扭轉(zhuǎn)的示意圖 它反映了試樣個局部區(qū)域不同的力學(xué)和粘結(jié)性質(zhì)，因而可以表征試樣各區(qū)域的不同組分。圖2.7 云母片上相分離磷脂-蛋白質(zhì)層的高度像（a）和側(cè)向力像（b） 2.2.2 輕敲模式輕敲模式 系統(tǒng)產(chǎn)生振動信號，使其處于共振系統(tǒng)產(chǎn)生振動信號，使其處于共振狀態(tài)而上下振蕩；狀態(tài)而上下振蕩； 探針逼近樣品后，樣品表面起伏引探針逼近樣品后，樣品表面起伏引起振幅發(fā)生變化；起振幅發(fā)生變化； 反饋系統(tǒng)通過反饋系統(tǒng)通過Vz控制掃描器的伸縮，控制掃描器的伸縮，使振幅信號維持恒定；使振幅信號維持恒定； 記錄在每個掃描點記錄在每個掃描點(x,y) 的伸縮電壓的伸縮電壓

8、V(x,y)； 通過通過V(x,y)，即可計算出樣品的表，即可計算出樣品的表面形貌面形貌T(x,y)；圖2.8 輕敲模式原理圖a. 高度像b. 相位像圖2.7 相位成像原理示意圖 其是通過檢測驅(qū)動微懸臂其是通過檢測驅(qū)動微懸臂振動的信號與微懸臂實際振振動的信號與微懸臂實際振動的相位角之差的變化來成動的相位角之差的變化來成像。像。(a)(b)圖2.8 一種有機薄膜的高度像（a）與相位像（b） 相位像對不同顆粒及其邊界具有更強的反差，并可在納相位像對不同顆粒及其邊界具有更強的反差，并可在納米尺度上提供試樣表面組分、摩擦、黏彈性及其他性質(zhì)的米尺度上提供試樣表面組分、摩擦、黏彈性及其他性質(zhì)的分析。分析。

9、接觸模式接觸模式輕敲模式輕敲模式掃描速度可以達(dá)到更高的掃描速度較低橫向剪切力有無樣品表面水層對掃描的影響有小針尖力大小5500nN0.11nN軟樣品不適用吸附樣品不適用表面不穩(wěn)定的樣品不適用表2.1 接觸模式與輕敲模式的比較 2.2.3 非接觸模式非接觸模式 這種模式控制在試樣表面這種模式控制在試樣表面上方上方520nm距離處距離處掃掃描，利用針尖描，利用針尖-試樣之間的相互微弱的試樣之間的相互微弱的長程力長程力（范德（范德華吸引力）引起微懸臂固有振動頻率峰值的偏移，華吸引力）引起微懸臂固有振動頻率峰值的偏移，以此為回饋信號成像。以此為回饋信號成像。然而，這種模式下：然而，這種模式下： 需要高

10、靈敏度的探針；需要高靈敏度的探針； 得到的圖像分辨率低；得到的圖像分辨率低； 針尖也容易被表面吸附氣體的表面壓吸附到試樣針尖也容易被表面吸附氣體的表面壓吸附到試樣表面，引起圖像數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定和對試樣的損傷。表面，引起圖像數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定和對試樣的損傷。3. 應(yīng)用及實例解釋應(yīng)用及實例解釋（1）高度分析）高度分析圖3.1 石墨烯片的AFM圖，片層厚度0.975nm（2）粒徑（分布）分析）粒徑（分布）分析圖3.2 CNT生長基底的AFM圖。a. 高度像；b. 相位像；c. 粒度分析報告，平均粒度大小為27.98nmbac（3）粗糙度分析）粗糙度分析圖3.3 ZnO薄膜的粗糙度分析報告 系統(tǒng)可以對圖像進行自相關(guān)分析。 相關(guān)運算用于比較兩個圖像的相似程度。自相關(guān)分析常用于分