掃描探針顯微鏡課件

大綱SPM發(fā)展歷史，基本原理概述;AFM基本結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵硬件組成；AFM常用模式簡介；AFM應(yīng)用，部分研究成果展示。其它SPM簡介大綱SPM發(fā)展歷史，基本原理概述;1顯微鏡的發(fā)展:光學(xué)顯微鏡16世紀(jì)末，荷蘭的眼鏡商ZacchariasJanssen,第一臺復(fù)合式顯微鏡，倍數(shù)太低(約300倍）顯微鏡的發(fā)展:光學(xué)顯微鏡16世紀(jì)末，荷蘭的眼鏡商Zaccha2顯微鏡的發(fā)展：高級顯微鏡1938年，德國工程師MaxKnoll和ErnstRuska制造出了世界上第一臺透射電子顯微鏡（TEM）1952年，英國工程師CharlesOatley制造出了第一臺掃描電子顯微鏡（SEM）至此，電子顯微鏡的分辨率達(dá)到納米級顯微鏡的發(fā)展：高級顯微鏡1938年，德國工程師MaxKno3掃描探針顯微鏡的產(chǎn)生的必然性低能電子衍射和X射線衍射光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡高分辨透射電子顯微鏡場電子顯微鏡和場離子顯微鏡X射線光電子能譜樣品具有周期性結(jié)構(gòu)不足分辨出表面原子用于薄層樣品的體相和界面研究只能探測在半徑小于100nm的針尖上的原子結(jié)構(gòu)和二維幾何性質(zhì)，且制樣技術(shù)復(fù)雜只能提供空間平均的電子結(jié)構(gòu)信息掃描探針顯微鏡的產(chǎn)生的必然性低能電子衍射和光學(xué)顯微鏡高分辨透4掃描探針顯微鏡的特點相較于其它顯微鏡技術(shù)的各項性能指標(biāo)比較

掃描探針顯微鏡的特點相較于其它顯微鏡技術(shù)的各項性能指標(biāo)比較5掃描探針顯微鏡的產(chǎn)生掃描隧道顯微鏡1982年人類第一次能夠?qū)崟r地觀察單個原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣闊的應(yīng)用前景，被國際科學(xué)界公認(rèn)為八十年代世界十大科技成就之一。掃描探針顯微鏡的產(chǎn)生掃描隧道1982年人類第一6掃描探針顯微鏡課件7掃描隧道顯微鏡(ScanningTunnelingMicroscope)工作原理：一個粒子的動能E低于前方勢壘的高度V0：經(jīng)典物理學(xué)：不可能越過此勢壘，透射系數(shù)等于零，粒子將完全被彈回。量子力學(xué)：一般情況下，其透射系數(shù)不等于零，粒子可以穿過比它能量更高的勢壘（隧道效應(yīng)）。

掃描隧道顯微鏡(ScanningTunnelingMic8掃描探針顯微鏡課件9隧道效應(yīng)是由于粒子的波動性而引起的，只有在一定的條件下，隧道效應(yīng)才會顯著。經(jīng)計算，透射系數(shù)T為：：隧道效應(yīng)是由于粒子的波動性而引起的，只有在一10

實驗設(shè)想：將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個電極；當(dāng)樣品與針尖距離非常接近(通常小于1nm)；加入外加電場的作用下。結(jié)果：電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極，形成電流，即隧道電流。

實驗設(shè)想：11STM就是運(yùn)用了“隧道效應(yīng)”這一原理，如圖：探針與樣品之間的縫隙就相當(dāng)于一個勢壘，電子的隧道效應(yīng)使其可以穿過這個縫隙，形成電流，并且電流對探針與樣品之間的距離十分敏感，因此通過電流強(qiáng)度就可以知道到探針與樣品之間的距離STM就是運(yùn)用了“隧道效應(yīng)”這一原理，如圖：12原子力顯微鏡（AFM)STM的原理是電子的“隧道效應(yīng)”，所以只能測導(dǎo)體和部分半導(dǎo)體1985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的不足原子力顯微鏡（AFM)STM的原理是電子的“隧道效應(yīng)”，所以13圖1、原子與原子之間的交互作用力因為彼此之間的距離的不同而有所不同，其之間的能量表示也會不同。

原子間范德華力圖1、原子與原子之間的交互作用力因為彼此之間的距離的不同而有14

原子力顯微鏡：利用微小探針與待測物之間交互作用力，來呈現(xiàn)待測物表面的物理特性。利用斥力與吸引力的方式發(fā)展出兩種操作模式：

（1）利用原子斥力的變化而產(chǎn)生表面輪廓為接觸式原子力顯微鏡（contactAFM），探針與試片的距離約數(shù)個?。

（2）利用原子吸引力的變化而產(chǎn)生表面輪廓為非接觸式原子力顯微鏡（non-contactAFM），探針與試片的距離約數(shù)十到數(shù)百?。

原子力顯微鏡：利用微小探針與待測物之間交互作用力，來呈現(xiàn)待15掃描探針顯微鏡課件16AFM的操作原理AFM的操作原理17SPM基本結(jié)構(gòu)SPM基本結(jié)構(gòu)18掃描探針顯微鏡課件19掃描探針顯微鏡課件20一：硬件架構(gòu)：

在原子力顯微鏡（AtomicForceMicroscopy，AFM）的系統(tǒng)中，可分成三個部分：力檢測部分、位置檢測部分、反饋系統(tǒng)。

一：硬件架構(gòu)：

在原子力顯微鏡（AtomicForceM21力檢測部分：

在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，所要檢測的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（cantilever）來檢測原子之間力的變化量。這微小懸臂有一定的規(guī)格，例如：長度、寬度、彈性系數(shù)以及針尖的形狀，而這些規(guī)格的選擇是依照樣品的特性，以及操作模式的不同，而選擇不同類型的探針。

力檢測部分：

在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中22掃描探針顯微鏡課件23掃描探針顯微鏡課件24掃描探針顯微鏡課件25位置檢測部分：

在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，當(dāng)針尖與樣品之間有了交互作用之后，會使得懸臂（cantilever）擺動，所以當(dāng)激光照射在cantilever的末端時，其反射光的位置也會因為cantilever擺動而有所改變，這就造成偏移量的產(chǎn)生。在整個系統(tǒng)中是依靠激光光斑位置檢測器將偏移量記錄下并轉(zhuǎn)換成電的信號，以供控制器作信號處理。

位置檢測部分：

在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)26

反饋系統(tǒng)：

在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，將信號經(jīng)由激光檢測器取入之后，在反饋系統(tǒng)中會將此信號當(dāng)作反饋信號，作為內(nèi)部的調(diào)整信號，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?，以保持樣品與針尖保持合適的作用力。

反饋系統(tǒng)：

在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中27三維掃描控制器壓電陶瓷控制針尖在樣品表面進(jìn)行高精度的掃描，目前普遍使用壓電陶瓷材料作為x-y-z掃描控制器件。壓電現(xiàn)象是指某種類型的晶體在受到機(jī)械力發(fā)生形變時會產(chǎn)生電場，或給晶體加一電場時晶體會產(chǎn)生物理形變的現(xiàn)象（多晶陶瓷材料，鈦酸鋯酸鉛[Pb(Ti,Zr)O3](簡稱PZT)和鈦酸鋇等）壓電陶瓷材料能以簡單的方式將1mV-1000V的電壓信號轉(zhuǎn)換成十幾分之一納米到幾微米的位移用壓電陶瓷材料制成的三維掃描控制器主要有三腳架型、單管型和十字架配合單管型等幾種。三維掃描控制器壓電陶瓷用壓電陶瓷材料制成的三維掃描控制器主要28

Binnis和Rohrer等人在IBM蘇黎世實驗室設(shè)計的STM中，采用的的粗調(diào)驅(qū)動器（作“小爬蟲”，Louse）粗調(diào)驅(qū)動器(L)由連成三角形的三條相互絕緣的壓電陶瓷材料和三只金屬腳（MF）構(gòu)成．MF外鍍一層高絕緣薄膜，使其與水平金屬臺板(GP)高度絕緣．在MF和GP之間加上電壓，由于靜電作用MF就被吸在GP上，去掉電壓，MF則被“釋放”．Binnis和Rohrer等人在IBM蘇黎世實29工作：一：把兩只MF固定在GP上，同時在構(gòu)成三角形的壓電陶瓷條中的相應(yīng)兩條施加電壓，兩條壓電陶瓷材料的膨脹或收縮（依據(jù)所加電壓的符號），另一只沒有固定的MF作微小移動．二：把這只MF固定而放松前兩只MF，同時去掉加在壓電陶瓷上的電壓，使其長度復(fù)原．三：循環(huán)的結(jié)果是“虱子”爬行了一步。四：以適當(dāng)?shù)捻樞蚩刂萍釉趬弘娞沾缮虾蚆F上的電壓和頻率，“小爬蟲”可以在GP上沿不同方向一步步爬行．一般每步在10μm至許1μm之間，每秒可爬行30步．五：樣品被移動到與探針適當(dāng)?shù)木嚯x和位置（也可以把樣品從探針處移開，以便作清潔處理和其它測量）．

工作：30原子力顯微鏡（AFM）便是結(jié)合以上三個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）來感測針尖與樣品之間的交互作用，測得作用力。這作用力會使cantilever擺動，再利用激光將光照射在cantilever的末端，當(dāng)擺動形成時，會使反射光的位置改變而造成偏移量，此時激光檢測器會記錄此偏移量，也會把此時的信號給反饋系統(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。原子力顯微鏡（AFM）便是結(jié)合以上三個部分來將樣品的表面特性31減震系統(tǒng)儀器工作時針尖與樣品的間距一般小于1nm，隧道電流，范德瓦爾斯力與隧道間隙成指數(shù)關(guān)系：任何微小的震動都會對儀器的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。必須隔絕的兩種類型的擾動是震動和沖擊，其中震動隔絕是最主要的。隔絕震動主要從考慮外界震動的頻率與儀器的固有頻率入手。外界震動（建筑物的震動，通風(fēng)管道、變壓器和馬達(dá)的震動、工作人員所引起的震動等），其頻率一般在1到100Hz之間，因此隔絕震動的方法主要是靠提高儀器的固有頻率和使用震動阻尼系統(tǒng)。減震系統(tǒng)儀器工作時針尖與樣品的間距一般小于1nm，隧道電流，32掃描探針顯微鏡的底座：氣墊平臺金屬板（或大理石）和橡膠墊疊加的方式，其作用主要是用來降低大幅度沖擊震動所產(chǎn)生的影響，其固有阻尼一般是臨界阻尼的十分之幾甚至是百分之幾。對探測部分采用彈簧懸吊的方式。金屬彈簧的彈性常數(shù)小，共振頻率較小(約為0.5Hz)，但其阻尼小，常常要附加其它減震措施。掃描探針顯微鏡的底座：33掃描探針顯微鏡課件34在一般情況下，以上兩種減震措施基本上能夠滿足掃描隧道顯微鏡儀器的減震要求。某些特殊情況，對儀器性能要求較高時，還可以配合諸如磁性渦流阻尼等其它減震措施。測量時，探測部分(探針和樣品)通常罩在金屬罩內(nèi)，金屬罩的作用主要是對外界的電磁擾動、空氣震動等干擾信號進(jìn)行屏蔽，提高探測的準(zhǔn)確性。在一般情況下，以上兩種減震措施基本上能夠滿足掃描隧道顯微鏡儀35四．電子學(xué)控制系統(tǒng)掃描探針顯微鏡是一個納米級的隨動系統(tǒng)，因此，電子學(xué)控制系統(tǒng)也是一個重要的部分。掃描探針顯微鏡要用計算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動，使探針逼近樣品，進(jìn)入隧道區(qū)，而后要不斷采集力數(shù)據(jù)，在恒力模式中還要將隧道電流與設(shè)定值相比較，再通過反饋系統(tǒng)控制探針的進(jìn)與退，從而保持隧道電流的穩(wěn)定。所有這些功能，都是通過電子學(xué)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。圖1給出了掃描探針顯微鏡電子學(xué)控制控制系統(tǒng)的框圖。四．電子學(xué)控制系統(tǒng)掃描探針顯微鏡是一個納米級的隨動系統(tǒng)，因此36掃描探針顯微鏡課件37該電子反饋系統(tǒng)最主要的是反饋功能，這里采用的是模擬反饋系統(tǒng)，即針尖與樣品之間的偏壓由計算機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換通道給出，再通過X、Y、Z偏壓控制壓電陶瓷三個方向的伸縮，進(jìn)而控制針尖的掃描。電子學(xué)控制系統(tǒng)中的一些參數(shù)，如振幅衰減的設(shè)定值，反饋速度的快慢等，都隨著不同樣品而異，因而在實際測量過程中，這些參量是可以調(diào)節(jié)的。一般在計算機(jī)軟件中可以設(shè)置和調(diào)節(jié)這些數(shù)值，也可以直接通過電子學(xué)控制機(jī)箱上的旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。該電子反饋系統(tǒng)最主要的是反饋功能，這里采用的是模擬反饋系統(tǒng)，38五．在線掃描控制和離線數(shù)據(jù)處理軟件在掃描探針顯微鏡的軟件控制系統(tǒng)中，計算機(jī)軟件所起的作用主要分為在線掃描控制和離線數(shù)據(jù)分析兩部分

五．在線掃描控制和離線數(shù)據(jù)處理軟件在掃描探針顯微鏡的軟件控制39（一）在線掃描控制1．參數(shù)設(shè)置在掃描探針顯微鏡實驗中，計算機(jī)軟件主要實現(xiàn)掃描時的一些基本參數(shù)的設(shè)定、調(diào)節(jié)，以及獲得、顯示并記錄掃描所得數(shù)據(jù)圖象等。計算機(jī)軟件將通過計算機(jī)接口實現(xiàn)與電子設(shè)備間的協(xié)調(diào)共同工作。（一）在線掃描控制1．參數(shù)設(shè)置40AFM掃描模式

AFM掃描模式

41恒高或恒力恒高或恒力42接觸模式（contactAFM：利用原子斥力的變化而產(chǎn)生表面輪廓，探針與試片的距離約數(shù)個?。非接觸式（non-contactAFM）：利用原子吸引力的變化而產(chǎn)生表面輪廓探針與試片的距離約數(shù)十到數(shù)百?。間歇接觸式（敲擊模式，tappingAFM）：一種恒定的驅(qū)使力使探針懸臂以一定的頻率振動。當(dāng)針尖剛接觸樣品時，懸臂振幅會減少到某一數(shù)值。

接觸模式（contactAFM：利用原子斥力的變化而產(chǎn)生43掃描探針顯微鏡課件44振動的試件驅(qū)動微懸臂振動

振動的試件驅(qū)動微懸臂振動45力梯度F’使微懸臂的共振產(chǎn)生變化

力梯度F’使微懸臂的共振產(chǎn)生變化46敲擊模式的特點：敲擊模式?jīng)]有接觸模式的分辨率高；在一定程度上減小樣品對針尖的粘滯現(xiàn)象，因為針尖與樣品表面接觸時，利用其振幅來克服針尖-樣品間的粘附力；由于敲擊模式作用力是垂直的，表面材料受橫向摩擦力和剪切力的影響都比較小，減小掃描過程中針尖對樣品的損壞；對于較軟以及粘附性較大的樣品，盡量選用敲擊模式。敲擊模式的特點：47掃描探針顯微鏡課件48AFM的應(yīng)用AFM的應(yīng)用49七、AFM的應(yīng)用1.形貌觀察

AFM可以對樣品表面形態(tài)、納米結(jié)構(gòu)、鏈構(gòu)象等方面進(jìn)行研究。AFMimageofporousAl2O3template

SEMimageofporousAl2O3template

七、AFM的應(yīng)用1.形貌觀察AFMimageof50AFM(a)andSEM(b)imageofPolystyreneonporousAl2O3template（a）(b)AFM(a)andSEM(b)imageofP512.AFM在高分子科學(xué)方面的應(yīng)用

AFM在高分子方面的應(yīng)用起源于1988年，如今，AFM已經(jīng)成為高分子科學(xué)的一個重要研究手段。AFM對高分子的研究發(fā)展十分迅速、(1)高分子表面形貌和納米結(jié)構(gòu)的研究

圖3.11所示為常規(guī)的AFM在高分子方面的應(yīng)用．高分子的形貌可以通過接觸式AFM、敲擊式AFM來研究。接觸式AFM研究形貌的分辨率與針尖和樣品接觸面積有關(guān)。一般來說，針尖與樣品的接觸尺寸為幾納米，接觸面積可以通過調(diào)節(jié)針尖與樣品接觸力來改變，接觸力越小，接觸面積就越??；同時也減少了針尖對樣品的破壞．為了獲得高分辨高分子圖像，人們用各種方法來對樣品進(jìn)行微力檢測。

2.AFM在高分子科學(xué)方面的應(yīng)用圖3.1152在空氣中掃描樣品時，由于水膜的存在使得樣品與針尖有較強(qiáng)的毛細(xì)作用，達(dá)就加大了針尖與樣品的表面作用力。為了消除毛細(xì)作用，人們提出在液相中掃描樣品可得到幾納牛的掃描力。

(2)AFM對高分子材料納米機(jī)械性能的研究掃描探針技術(shù)是研究高分子材料納米范圍機(jī)械性能的強(qiáng)有力工具。在接觸式AFM中．以不同的力掃描樣品可以得到樣品機(jī)械性能的信息．高分子材料彈性模量的變化范圍從幾MPa到幾GPa，這就需要根據(jù)樣品的不同性質(zhì)來選樣低力或高力對樣品成像．圖3.12為在水中拉伸PE條帶施加不同力時獲得的樣品變形圖像．在強(qiáng)力掃描樣品時，可以看到沿纖維走向有以25nm為周期的明暗變化。在空氣中掃描樣品時，由于水膜的存53掃描探針顯微鏡課件54(3)高分子組分分布研究許多高分子材料由不均一相組成，因此研究相的分布可以給出高分子材料許多重要的信息。如圖3.13增韌塑料是由兩種不同高分子材料和橡膠顆粒共混而成的，其高度圖和相圖有明顯的不同相圖中不僅可以分辨出兩種不同高分子組分，而且可以見到約1nm尺寸的橡膠顆粒．(3)高分子組分分布研究55

3.AFM在生物大分子中的應(yīng)用

AFM是研究生物大分子強(qiáng)有力的工具。生物大分子不同于一般高分子聚合物．它在生物體中多以單個分子存在，因此容易得到單個分子的形貌圖像，單個生物分子的三維形貌及動力學(xué)性質(zhì)研究對解釋生命現(xiàn)象有不可估量的作用．如今人們用AFM研究各種生物分子，如DNA、蛋白質(zhì)、抗原抗體分子及其他一些重要分子。3.AFM在生物大分子中的應(yīng)用56沉積于云母片上的抗體分子的AFM成像?？諝庵?，室溫。由于抗

體分子沉積于支持物的方向不同，

而表現(xiàn)出幾種形態(tài)。

沉積于云母片上的抗體分子的AFM成像?？諝庵?，室溫。由于抗57原子力顯微鏡對金的觀測煙草花葉病毒掃描圖原子力顯微鏡對金的觀測煙草花葉病毒掃描圖58AFM的缺點誤差

受樣品因素限制較大（不可避免）針尖易磨鈍&受污染（磨損無法修復(fù)；污染清洗困難）針尖—樣品間作用力較小AFM的缺點誤差受樣品因素限制較大（不可避免）592.針尖因素

AFM成像實際上是針尖形狀與表面形貌作用的結(jié)果，針尖的形狀是影響側(cè)向分辨率的關(guān)鍵因素。針尖影響AFM成像主要表現(xiàn)在兩個方面：針尖的曲率半徑和針尖側(cè)面角，曲率半徑?jīng)Q定最高側(cè)向分辨率，而探針的側(cè)面角決定最高表面比率特征的探測能力．如圖3.4所示，曲率半徑越小，越能分辨精細(xì)結(jié)構(gòu)．圖3,4不同曲率半徑的針尖對球形物成像時的掃描路線2.針尖因素圖3,4不同曲率半徑的針尖對球形物成像60當(dāng)針尖有污染時會導(dǎo)致針尖變鈍(圖4)，使得圖像靈敏度下降或失真，但鈍的針尖或污染的針尖不影響樣品的垂直分辨率．樣品的陡峭面分辨程度決定于針尖的側(cè)面角大?。畟?cè)面角越小，分辨陡峭樣品表面能力就越強(qiáng)，圖5說明了針尖側(cè)面角對樣品成像的影響。圖4針尖污染時成像路線和相應(yīng)形貌圖當(dāng)針尖有污染時會導(dǎo)致針尖變鈍(圖4)，61圖5不同側(cè)面角針尖對樣品表面成像路線影響圖5不同側(cè)面角針尖對樣品表面成像路線影響62磁力顯微鏡（MFM）磁力顯微鏡（MagneticForceMicroscopy,MFM）也是使用一種受迫振動的探針來掃描樣品表面，所不同的是這種探針是沿著其長度方向磁化了的鎳探針或鐵探針。當(dāng)這一振動探針接近一塊磁性樣品時，探針尖端就會像一個條狀磁鐵的北極和南極那樣，與樣品中磁疇相互作用而感受到磁力，并使其共振頻率發(fā)生變化，從而改變其振幅。這樣檢測探針尖端的運(yùn)動，就可以進(jìn)而得到樣品表面的磁特性。右圖為使用MFM觀察得到的磁光盤表面的磁數(shù)據(jù)位的磁結(jié)構(gòu)（凹坑伏）。磁力顯微鏡（MFM）磁力顯微鏡（MagneticFor63掃描探針顯微鏡課件644.靜電力顯微鏡（EFM）在靜電力顯微鏡中，針尖和樣品起到一個平行的板極電容器中兩塊極板的作用。當(dāng)其在樣品表面掃描時，其振動的振幅受到樣品中電荷產(chǎn)生的靜電力的影響。利用這一現(xiàn)象，就可以通過掃描時獲得的靜電力圖象來研究樣品的表面信息。左圖為2.5