AFM的原理及應(yīng)用ppt課件

1、Atomic Force Microscopy 原子力顯微鏡AFM）目錄：nAFM的發(fā)展歷史nAFM的原理nAFM的分類nAFM機(jī)器的組成n影響AFM分辨率的因素nAFM技術(shù)應(yīng)用舉例n照片舉例nAFM的缺點(diǎn)高級(jí)顯微鏡n1938年，德國(guó)工程師Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上第一臺(tái)透射電子顯微鏡TEM）n1952年，英國(guó)工程師Charles Oatley制造出了第一臺(tái)掃描電子顯微鏡SEM）n 至此，電子顯微鏡的分辨率達(dá)到納米級(jí) n1983年，IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer發(fā)明了掃描隧道顯微鏡STM）n應(yīng)用電子的“隧道

2、效應(yīng)這一原理，對(duì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體進(jìn)行觀測(cè)隧道效應(yīng)n經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，物體越過勢(shì)壘，有一閾值能量；粒子能量小于此能量則不能越過，大于此能量則可以越過。例如騎自行車過小坡，先用力騎，如果坡很低，不蹬自行車也能靠慣性過去。如果坡很高，不蹬自行車，車到一半就停住，然后退回去。n量子力學(xué)則認(rèn)為，即使粒子能量小于閾值能量，很多粒子沖向勢(shì)壘，一部分粒子反彈，還會(huì)有一些粒子能過去，好像有一個(gè)隧道，故名隧道效應(yīng)quantum tunneling）。可見，宏觀上的確定性在微觀上往往就具有不確定性。雖然在通常的情況下，隧道效應(yīng)并不影響經(jīng)典的宏觀效應(yīng)，因?yàn)樗泶茁蕵O小，但在某些特丁的條件下宏觀的隧道效應(yīng)也會(huì)出現(xiàn)。AFM出現(xiàn)

3、的意義nSTM的原理是電子的“隧道效應(yīng)”，所以只能測(cè)導(dǎo)體和部分半導(dǎo)體n1985年，IBM公司的Binning和Stanford大學(xué)的Quate研發(fā)出了原子力顯微鏡AFM），彌補(bǔ)了STM的不足n n n 返回成 像 原 理ExpulsiveforceatomatomAttractive forceatomatom恒定力量或者恒定高度探針如何成像表面形貌和材料如何測(cè)量n n 返回X YZMover垂直信號(hào)的變化垂直信號(hào)的變化即樣本的表面變化即樣本的表面變化Cantilever 擺動(dòng)擺動(dòng)的方向的方向X YZMoverCantilever 擺動(dòng)擺動(dòng)的方向的方向水平信號(hào)的變化水平信號(hào)的變化即樣本的材質(zhì)變

4、化即樣本的材質(zhì)變化AFM有多種工作模式n1. 接觸模式Contact Mode）：作用力在斥力范圍，力的量級(jí)為109 108N，或1 10eV/?？蛇_(dá)到原子級(jí)分辨率。n2. 非接觸模式Non-Contact Mode）：作用力在引力范圍，包括范德華力、靜電力或磁力等。n3. 輕敲模式Tapping Mode）n4. Interleave模式Interleave Normal Mode/Lift Mode）n5. 力調(diào)制模式Force Modulation Mode）n6. 力曲線模式Force Curve Mode）接觸式原子力顯微鏡n接觸式AFM是一個(gè)排斥性的模式，探針尖端和樣品做柔軟性的“

5、實(shí)際接觸”，當(dāng)針尖輕輕掃過樣品表面時(shí)，接觸的力量引起懸臂彎曲，進(jìn)而得到樣品的表面圖形。n由于是接觸式掃描，在接觸樣品時(shí)可能會(huì)是樣品表面彎曲。n經(jīng)過多次掃描后，針尖或者樣品有鈍化現(xiàn)象。特點(diǎn)：n通常情況下，接觸模式都可以產(chǎn)生穩(wěn)定的、分辨率高的圖像。但是這種模式不適用于研究生物大分子、低彈性模量樣品以及容易移動(dòng)和變形的樣品。接觸式（ contact mode）非接觸式原子力顯微鏡n在非接觸模式中，針尖在樣品表面的上方振動(dòng)，始終不與樣品接觸，探測(cè)器檢測(cè)的是范德華作用力和靜電力等對(duì)成像樣品沒有破壞的長(zhǎng)程作用力。n需要使用較堅(jiān)硬的懸臂防止與樣品接觸）。n所得到的信號(hào)更小，需要更靈敏的裝置，這種模式雖然增加

6、了顯微鏡的靈敏度，但當(dāng)針尖和樣品之間的距離較長(zhǎng)時(shí)，分辨率要比接觸模式和輕敲模式都低。特點(diǎn)：n由于為非接觸狀態(tài)，對(duì)于研究柔軟或有彈性的樣品較佳，而且針尖或者樣品表面不會(huì)有鈍化效應(yīng)，不過會(huì)有誤判現(xiàn)象。這種模式的操作相對(duì)較難，通常不適用于在液體中成像，在生物中的應(yīng)用也很少。非接觸式non contact mode）間歇接觸式原子力顯微鏡n微懸臂在其共振頻率附近做受迫振動(dòng)，振蕩的針尖輕輕的敲擊表面，間斷地和樣品接觸。當(dāng)針尖與樣品不接觸時(shí)，微懸臂以最大振幅自由振蕩。當(dāng)針尖與樣品表面接觸時(shí)，盡管壓電陶瓷片以同樣的能量激發(fā)微懸臂振蕩，但是空間阻礙作用使得微懸臂的振幅減小。反饋系統(tǒng)控制微懸臂的振幅恒定，針尖就

7、跟隨表面的起伏上下移動(dòng)獲得形貌信息。n類似非接觸式AFM，比非接觸式更靠近樣品表面。損害樣品的可能性比接觸式少不用側(cè)面力，摩擦或者拖拽）。n輕敲模式的分辨率和接觸模式一樣好，而且由于接觸時(shí)間非常短暫，針尖與樣品的相互作用力很小，通常為1皮牛頓pN）1納牛頓nN），剪切力引起的分辨率的降低和對(duì)樣品的破壞幾乎消失，所以適用于對(duì)生物大分子、聚合物等軟樣品進(jìn)行成像研究。特點(diǎn)：n對(duì)于一些與基底結(jié)合不牢固的樣品，輕敲模式與接觸模式相比，很大程度地降低了針尖對(duì)表面結(jié)構(gòu)的“搬運(yùn)效應(yīng)”。n樣品表面起伏較大的大型掃描比非接觸式的更有效。間歇接觸式tapping mode）n n n 返回原子力顯微鏡的構(gòu)成在原子力

8、顯微鏡的系統(tǒng)中，可分成三個(gè)部分：力檢測(cè)部分、位置檢測(cè)在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中，可分成三個(gè)部分：力檢測(cè)部分、位置檢測(cè)部分、反饋系統(tǒng)。部分、反饋系統(tǒng)。力檢測(cè)部分：力檢測(cè)部分： 在原子力顯微鏡在原子力顯微鏡AFMAFM的系統(tǒng)中，所要檢測(cè)的的系統(tǒng)中，所要檢測(cè)的力是原子與原子之間的范德華力。所以在本系統(tǒng)中是力是原子與原子之間的范德華力。所以在本系統(tǒng)中是使用微小懸臂使用微小懸臂cantilevercantilever來檢測(cè)原子之間力的變來檢測(cè)原子之間力的變化量。這微小懸臂有一定的規(guī)格，例如：長(zhǎng)度、寬度、化量。這微小懸臂有一定的規(guī)格，例如：長(zhǎng)度、寬度、彈性系數(shù)以及針尖的形狀，而這些規(guī)格的選擇是依照彈性系數(shù)以及

9、針尖的形狀，而這些規(guī)格的選擇是依照樣品的特性，以及操作模式的不同，而選擇不同類型樣品的特性，以及操作模式的不同，而選擇不同類型的探針。的探針。n位置檢測(cè)部分：位置檢測(cè)部分： 在原子力顯微鏡在原子力顯微鏡AFMAFM的系統(tǒng)中，當(dāng)針的系統(tǒng)中，當(dāng)針尖與樣品之間有了交互作用之后，會(huì)使得懸臂尖與樣品之間有了交互作用之后，會(huì)使得懸臂cantilevercantilever擺動(dòng)，所以當(dāng)激光照射在擺動(dòng)，所以當(dāng)激光照射在cantilevercantilever的末端時(shí)，其反射光的位置也會(huì)因的末端時(shí)，其反射光的位置也會(huì)因?yàn)闉閏antilevercantilever擺動(dòng)而有所改變，這就造成偏移擺動(dòng)而有所改變，這就造

10、成偏移量的產(chǎn)生。在整個(gè)系統(tǒng)中是依靠激光光斑位置量的產(chǎn)生。在整個(gè)系統(tǒng)中是依靠激光光斑位置檢測(cè)器將偏移量記錄下并轉(zhuǎn)換成電的信號(hào)，以檢測(cè)器將偏移量記錄下并轉(zhuǎn)換成電的信號(hào)，以供控制器作信號(hào)處理。供控制器作信號(hào)處理。n 反饋系統(tǒng)：反饋系統(tǒng)： n在原子力顯微鏡在原子力顯微鏡AFM的系統(tǒng)中，將信號(hào)的系統(tǒng)中，將信號(hào)經(jīng)由激光檢測(cè)器取入之后，在反饋系統(tǒng)中會(huì)將經(jīng)由激光檢測(cè)器取入之后，在反饋系統(tǒng)中會(huì)將此信號(hào)當(dāng)作反饋信號(hào)，作為內(nèi)部的調(diào)整信號(hào)，此信號(hào)當(dāng)作反饋信號(hào)，作為內(nèi)部的調(diào)整信號(hào)，并驅(qū)使通常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當(dāng)并驅(qū)使通常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當(dāng)?shù)囊苿?dòng)，以保持樣品與針尖保持合適的作用力。的移動(dòng)，以保持樣品

11、與針尖保持合適的作用力。 原子力顯微鏡AFM便是結(jié)合以上三個(gè)部分來將樣品的表面特性呈現(xiàn)出來的：在原子力顯微鏡AFM的系統(tǒng)中，使用微小懸臂cantilever來感測(cè)針尖與樣品之間的交互作用，測(cè)得作用力。這作用力會(huì)使cantilever擺動(dòng)，再利用激光將光照射在cantilever的末端，當(dāng)擺動(dòng)形成時(shí)，會(huì)使反射光的位置改變而造成偏移量，此時(shí)激光檢測(cè)器會(huì)記錄此偏移量，也會(huì)把此時(shí)的信號(hào)給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，最后再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現(xiàn)出來。 返回提高圖像分辨率n1、發(fā)展新的技術(shù)或模式來提高分辨率，即從硬件設(shè)備以及成像機(jī)理上提高成像分辨率。如最近Fuchs等發(fā)明的Q控制技術(shù)，可

12、以提高成像分辨率和信噪比。采用力調(diào)制模式或頻率調(diào)制模式等也可以有效提高成像分辨率。n2、選擇尖端曲率半徑小的針尖，減小針尖與樣品之間的接觸面積，減小針尖的放大效應(yīng)，以提高分辨率。n3、盡量避免針尖和樣品表面的污染。如果針尖上有污染物，就會(huì)造成與表面之間的多點(diǎn)接觸，出現(xiàn)多針尖現(xiàn)象，造成假像。如果表面受到了污染，在掃描過程中表面污染物也可能粘到針尖上，造成假像的產(chǎn)生。n4、控制測(cè)試氣氛，消除毛細(xì)作用力的影響。由于毛細(xì)作用力的存在，在空氣中進(jìn)行AFM成像時(shí)會(huì)造成樣品與針尖的接觸面積增大，分辨率降低。此時(shí)，可考慮在真空環(huán)境下測(cè)定，在氣氛控制箱中沖入干燥的N2，或者在溶液中成像等。溶液的介電性質(zhì)也可以影

13、響針尖與樣品間范德華作用力常數(shù)，從而有可能減小它們之間的吸引力以提高成像分辨率。不過液體對(duì)針尖的阻尼作用會(huì)造成反饋的滯后效應(yīng)，所以不適用于快速掃描過程。AFM針尖放大效應(yīng)AFM是依靠尖端曲率半徑很小的微懸臂針尖接觸在表面上進(jìn)行成像，所得到的圖像是針尖與樣品真實(shí)形貌卷積后的結(jié)果。如下圖，實(shí)線代表樣品的真實(shí)形貌，虛線就是針尖掃描所得到的表觀圖像。二者之間的差別在于針尖與樣品真實(shí)接觸點(diǎn)和表觀接觸點(diǎn)隨針尖移動(dòng)的函數(shù)變化關(guān)系。n針尖效應(yīng)不僅會(huì)將小的結(jié)構(gòu)放大，而且還會(huì)造成成像的不真實(shí)，特別是在比較陡峭的突起和溝槽處。n一般來說，如果針尖尖端的曲率半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于表面結(jié)構(gòu)的尺寸，則針尖效應(yīng)可以忽略，針尖走過的軌

14、跡基本上可以反映表面結(jié)構(gòu)的起伏變化。微懸臂檢測(cè)方法nAFM是通過檢測(cè)微懸臂形變的大小來獲得樣品表面形貌信息的，所以微懸臂形變檢測(cè)技術(shù)至關(guān)重要。到目前為止，檢測(cè)微懸臂形變的方式主要有以下幾種：n1隧道電流檢測(cè)法n2電容檢測(cè)法n3光學(xué)檢測(cè)法n4壓敏電阻檢測(cè)法n5光束偏轉(zhuǎn)法。此方法由Meyer和Amer于1988年發(fā)明，簡(jiǎn)便實(shí)用，廣泛應(yīng)用于目前的商品化儀器。n須指出，由于針尖樣品之間的作用力是微懸臂的力常數(shù)和形變量之積，所以無論哪種檢測(cè)方法，都應(yīng)不影響微懸臂的力常數(shù)，而且對(duì)形變量的檢測(cè)須達(dá)到一納米以下。n 返回AFM應(yīng)用技術(shù)舉例nAFM可以在大氣、真空、低溫和高溫、不同氣氛以及溶液等各種環(huán)境下工作，且不受樣品導(dǎo)電性質(zhì)的限制，因此已獲得比STM更為廣泛的應(yīng)用。主要用途：n1. 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體表面的高分辨成像n2. 生