AFM原子力显微镜简介 刘鹏 主要内容 1 概述2 工作原理3 仪器介绍4 成像模式5 辅助图像6 AFM应用7 AFM的缺陷 1 概述 AFM AtomicForceMicroscope 原子力显微镜以原子间力为理论基础的显微镜 从STM 扫描隧道显微镜 发展而来以原子尺寸观察物质表面结构金属 半导体 绝缘体大气 液体环境下直接观察 精确测量样品的尺寸参数精确测量样品的尺寸参数 在原子力显微镜的系统中 是利用微小探针与待测物之间交互作用力 来呈现待测物的表面之物理特性 2 工作原理 2 工作原理 将一个对力极为敏感的微悬臂的一端固定 另一端固定针尖当针尖在样品表面扫描时 因针尖尖端原子与样品表面原子存在的范德华力 使微悬臂产生微小弯曲 检测悬臂弯曲所造成的微小的位移量 得到样品表面信息 2 工作原理 隧道电流法 当两侧金属靠近到很小间距时 两侧金属表面电子云互相重叠产生隧道电流 电流大小与两侧金属距离有关 灵敏度高 易被污染光学法常用 3 仪器介绍 3 仪器介绍 4 成像模式 操作模式接触模式非接触模式轻敲模式 4 成像模式 4 1接触模式针尖与样品表面距离小 利用原子间的斥力可获得高解析度图像样品变形 针尖受损不适合表面柔软的材料 接触模式 样品表面 针尖 4 成像模式 4 2非接触模式针尖距样品表面5nm 20nm不损伤样品表面 可测试表面柔软样品分辨率低误判的现象 非接触模式 接触模式 4 成像模式 4 3轻敲模式探针在Z轴维持固定频率振动 当振动到谷底时与样品表面接触对样品破坏小分辨率几乎与接触模式相同 5 辅助图像 在不同模式下进行扫描时 通过记录其他的信号成像 可以得到形貌图的辅助图像 例如接触模式下的偏移图 错位信号图 和振幅图 以及轻敲模式下的相图 1 偏移图 错位信号图 在接触模式下 通过记录反射激光束在PSPD上的即时信号与预设信号之间的电压差而成像 5 辅助图像 2 振幅图在接触模式下 给微悬臂加上一个小振幅 低频率的简谐振动后 力调制技术 通过记录微悬臂振幅的变化而成像 3 相图是与振幅图相类似 在轻敲模式下 通过记录高频振动的针尖在接触样品表面后 振动相位的变化 滞后 程度而成像 6 AFM应用 观测样品表面形貌 云母的原子像 接触模式 DVD光盘表面 接触模式 6 AFM应用 观测样品表面形貌 PE膜 左图为高度图 右图为相图 6 AFM应用 观测样品表面形貌 高分子的片晶和球晶结构 6 AFM应用 观测生物样品 DNA 霍乱菌 6 AFM应用 表面信息统计分析 7 AFM的缺陷 1 较小的扫描范围 100 m到10nm 容易将局部的 特殊的结果当作整体的结果而分析 以及使实验结果缺乏重现性 2 极其高的分辨率 使得在样品制备过程中产生的或者是从背景噪音中产生的极小赝像都能够被检测 观察到 产生赝像 谢谢