原子力显微镜原子力显微镜Atomic Force Microscopy主要内容发展历史基本原理应用显微镜发展历史第一代：光学显微镜第一代：光学显微镜(1676)(1676)第二代：电子显微镜第二代：电子显微镜(1938)(1938) 第三代：扫描探针显微镜第三代：扫描探针显微镜SPMSPM （19821982）光学显微镜*S衍射屏衍射屏观察屏观察屏a 刚可分辨刚可分辨不可分辨不可分辨衍衍射射效效应应r0.2um （3000倍）倍）最小分辨距离最小分辨距离：阿贝公式：阿贝公式19381938年：第一台透射电子显微镜（年：第一台透射电子显微镜（TEMTEM）。）。 1952 1952年：第一台扫描电子显微镜（年：第一台扫描电子显微镜（SEMSEM）。）。 电子显微镜的分辨率可以达到纳米级（电子显微镜的分辨率可以达到纳米级（10-9m10-9m）。）。电子显微镜样品处理过程复杂样品处理过程复杂要在高真空的环境下操作要在高真空的环境下操作电子波长比可见光短得多。制成电子显电子波长比可见光短得多。制成电子显微镜将具有更高的分辨本领微镜将具有更高的分辨本领。n nscanning tunneling Microscopy (STMscanning tunneling Microscopy (STM，19821982) )n nAtomic force microscopy (AFM)Atomic force microscopy (AFM)n nLateral Force Microscopy (LFM)Lateral Force Microscopy (LFM)n nMagnetic Force Microscopy (MFM)Magnetic Force Microscopy (MFM)n nElectrostatic Force Microscopy (EFM)Electrostatic Force Microscopy (EFM)n nChemical Force Microscopy (CFM)Chemical Force Microscopy (CFM)n nNear Field Scanning Optical Microscopy Near Field Scanning Optical Microscopy (NSOM)(NSOM)扫描探针显微镜SPM SPMSPM是指在是指在STMSTM基础上发展起来的一大类显微镜，基础上发展起来的一大类显微镜，通过探测极小探针与表面之间的物理作用量如光、通过探测极小探针与表面之间的物理作用量如光、电、磁、力等的大小而获得表面信息。电、磁、力等的大小而获得表面信息。发展历史工作原理应用基本原理仪器构成工作模式19821982年，年，GerdGerd Binnig Binnig和和Heinrich Heinrich RohrerRohrer发明扫描隧道显微镜（发明扫描隧道显微镜（STM )STM )，获，获得得19861986年的诺贝尔物理学奖年的诺贝尔物理学奖 。宾尼 罗雷尔 基本原理在在S T M基础上发展而来基础上发展而来S T M原理原理基本原理在在S T M基础上发展而来基础上发展而来n n电子隧道效应电子隧道效应 隧道电流随探针隧道电流随探针样品间距离减小而呈样品间距离减小而呈指数增加指数增加d1nmS T M原理原理样品导电性要好样品导电性要好 19861986，IBMIBM，葛葛宾尼（宾尼（G. BinnigG. Binnig）发明了发明了原子原子力显微镜力显微镜( (Atomic Force Microscope ,AFM)Atomic Force Microscope ,AFM)新一新一代表面观测仪器代表面观测仪器原理：原理：利用原子之间的范德华力（利用原子之间的范德华力（Van Van DerDer Waals WaalsForceForce）作用来呈现样品的表面特性作用来呈现样品的表面特性基本原理基本原理原子间的作用力吸引部分排斥部分F pair d原子原子排斥力原子原子吸引力samplescannercantileverphoto detectorlaser diode微悬臂激光二极管光电检测器基本原理AFMAFM信号反馈信号反馈模式模式基本原理力检测部分力检测部分光学检测部分光学检测部分反馈电子系统反馈电子系统压电扫描系统压电扫描系统计算机控制系统计算机控制系统仪器构成n接触模接触模式式 (contact mode) (contact mode) n非非接触模接触模式式 (non-contact mode)(non-contact mode)n轻敲模轻敲模式式 (tapping (tapping / / intermittent contact intermittent contact mode)mode) van der Waals force curve工作模式 针尖始终向样品接触并简单地在表面上移动，针尖样品间的相互作用力是互相接触原于的电子间存在的库仑排斥力，其大小通常为108 1011N。van der Waals force curve工作模式-接触模式d .nm l优点：可产生稳定、高分辨图像。l缺点： 可能使样品产生相当大的变形，对柔软的样品造成破坏，以及破坏探针，严重影响AFM成像质量。工作模式-接触模式 相互作用力是范德华吸引力，远小于排斥力. van der Waals force curved: 520nm振幅：2nm5nm工作模式-非接触模式范德华吸引力 微悬臂以共振频率振荡，通过控制微悬臂振幅恒定来获得样品表面信息的。 优点：对样品无损伤优点：对样品无损伤 缺点：缺点： 1 1）分辨率要比接触式的低。）分辨率要比接触式的低。 2 2）气体的表面压吸附到样品表面，造）气体的表面压吸附到样品表面，造成图像成图像 数据不稳定和对样品的破坏。数据不稳定和对样品的破坏。 工作模式-非接触模式 介于接触模式和非接触模式之间介于接触模式和非接触模式之间: : 其特点是扫描过程中微悬臂也是振荡的并具有其特点是扫描过程中微悬臂也是振荡的并具有比非接触模式更大的振幅比非接触模式更大的振幅(5100nm)(5100nm)，针尖在振荡时间，针尖在振荡时间断地与样品接触。断地与样品接触。 van der Waals force curve振幅：振幅：5nm 100nm工作模式-轻敲模式 特点：特点： 1 1）分辨率几乎同接触模式一样好；）分辨率几乎同接触模式一样好； 2 2）接触非常短暂，因此剪切力引起的对）接触非常短暂，因此剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失；样品的破坏几乎完全消失；工作模式-轻敲模式工作模式-轻敲模式相位成像相位成像(phase imaging)(phase imaging)技术技术通过轻敲模式扫描过程中振动微悬臂的相位变化通过轻敲模式扫描过程中振动微悬臂的相位变化来检测表面组分来检测表面组分, ,粘附性粘附性, ,摩擦摩擦, ,粘弹性和其他性质粘弹性和其他性质的变化的变化. .基本原理基本原理原子力显微镜之解析度基本原理基本原理基本原理氮化氮化硅探针针尖放大图硅探针针尖放大图基本原理为克服为克服“加宽效应加宽效应”：n一方面可发展制造尖端更尖的探针技术，一方面可发展制造尖端更尖的探针技术，n另一方面对标准探针进行修饰也可提高图像质量。另一方面对标准探针进行修饰也可提高图像质量。 针尖技术单碳纳米壁管单碳纳米壁管 直径直径0. 70. 75 nm5 nm基本原理AFMAFM技术的主要特点技术的主要特点: :优点优点: :n n制样相对简单制样相对简单, ,多数情况下对样品不破坏多数情况下对样品不破坏. .n n具有具有高分辨率，高分辨率，三三维立体维立体的成像能力的成像能力，n n可同时得到尽可能多的信息可同时得到尽可能多的信息. .n n操作简单操作简单, ,对附属设备要求低对附属设备要求低. .缺点缺点: :n n对试样仍有较高要求对试样仍有较高要求, ,特别是平整度特别是平整度. .n n实验结果对针尖有较高的依赖性实验结果对针尖有较高的依赖性( (针尖效应针尖效应).).n n仍然属于表面表征技术仍然属于表面表征技术, ,需和其他测试手段结需和其他测试手段结合合. .主要内容发展历史工作原理应用原子力显微镜的应用原子力显微镜的应用金属半导体材料化学纳米材料生命科学微加工技术用AFM观察DNA双螺旋结构v 生物和生命科学用AFM观察细胞生长v 生物和生命科学用AFM观察集成电路的线路刻蚀情况v 微电子科学和技术高分子领域的应用高分子领域的应用聚合物膜表面形貌与相分离观察聚合物膜表面形貌与相分离观察 KajiyamaKajiyama等人应用等人应用AFMAFM研究了单分散聚苯乙烯研究了单分散聚苯乙烯(PS)/(PS)/聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(PMMA)共混成膜的相分离情况。共混成膜的相分离情况。 膜较厚时膜较厚时(25(25), ), 看不到分相。膜厚看不到分相。膜厚100n100n时时, ,可以得到可以得到PMMAPMMA呈岛状分布在呈岛状分布在PSPS中的中的AFMAFM图象。图象。聚合物膜表面形貌与相分离观察聚合物膜表面形貌与相分离观察n n对非晶态聚合物膜对非晶态聚合物膜对非晶态聚合物膜对非晶态聚合物膜, , , ,形貌图信息较为有限。形貌图信息较为有限。形貌图信息较为有限。形貌图信息较为有限。AFMAFMAFMAFM“相成相成相成相成像像像像”方式方式方式方式 (phase imaging)(phase imaging)(phase imaging)(phase imaging)得到的数据与样品表面硬得到的数据与样品表面硬得到的数据与样品表面硬得到的数据与样品表面硬度和粘弹性有关，可以观察度和粘弹性有关，可以观察度和粘弹性有关，可以观察度和粘弹性有关，可以观察相分离相分离相分离相分离即使在样品表面即使在样品表面即使在样品表面即使在样品表面相对相对相对相对“平坦平坦平坦平坦”的情况下的情况下的情况下的情况下, , , ,也能较好地反映出聚合物的相也能较好地反映出聚合物的相也能较好地反映出聚合物的相也能较好地反映出聚合物的相分离后分离后分离后分离后, , , ,不同类型聚合物的所在区域。不同类型聚合物的所在区域。不同类型聚合物的所在区域。不同类型聚合物的所在区域。高分子结晶形态观察高分子结晶形态观察n n聚苯乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯/ / / /聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物的苯溶液在膜聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物的苯溶液在膜聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物的苯溶液在膜聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物的苯溶液在膜槽内分散槽内分散槽内分散槽内分散, , , ,而后在极低的表面压下而后在极低的表面压下而后在极低的表面压下而后在极低的表面压下(0.1(0.1(0.1(0.1/ / / /) ) ) )将分子沉将分子沉将分子沉将分子沉积在新鲜云母表面。积在新鲜云母表面。积在新鲜云母表面。积在新鲜云母表面。非晶态单链高分子结构观察非晶态单链高分子结构观察AFM在聚合物膜研究中的应用在聚合物膜研究中的应用1 表面整体形态研究表面整体形态研究2 孔径孔径( (分布分布),),粒度（分布）研究粒度（分布）研究3 粗糙度研究粗糙度研究1 表面整体形态研究2 孔径孔径( (分布分布),),粒度（分布）研究粒度（分布）研究Section analysis of TM-AFM image.Tapping mode atomic force micrographs3 粗糙度研究粗糙度研究n 粗糙度（粗糙度（Surface roughnessSurface roughness）表示膜表面形态间表示膜表面形态间的差异，影响着膜的物理和化学性能、膜表面的污染的差异，影响着膜的物理和化学性能、膜表面的污染程度和膜的水通量。程度和膜的水通量。 膜污染研究-超滤膜或微滤膜 新膜表面三维图新膜表面三维图X 1m/ 格格; Z 50 nm/ 格格 污染膜表面三维图污染膜表面三维图X 1m/ 格格; Z 2 000 nm/ 格格制样之关键n涂膜的厚度n溶液的浓度n成膜的条件n与基体材料的结合（云母/玻片/石墨片）n膜的干燥 AFM 以分辨率高、制样要求简单、得到的样品表面信息丰富的特点在各领域得到了越来越广泛的应用。n THE END！