浅谈AFMPPT课件.ppt

浅谈原子力显微镜 蔡向东导师 肖建喜 1 Fathers 1986年IBM公司 ChristophGerber斯坦福大学 CalvinQuate斯坦福大学 GerdBinnigIBM公司 2 核心结构介绍 激光器单元微悬臂单元压电扫描单元光电检测与反馈单元 信号源 光束要求 细且单色性好 分散程度弱 稳定性高 寿命长 高共振频率 合适的弹性系数 将机械作用和电信号相互转化 移动样品 感受作用力 光束偏转法 激光照在微悬臂尖端 检测器接受微悬臂反射光束 输出位置信号 微悬臂形变 激光偏转 调节压电扫描器 3 原理及工作模式 原理 扫描探针与样品表面原子的范德华力作用 呈现样品表面特性 位移驱动原件 压电陶瓷驱动器 研究对象 近场力 工作模式 依据针尖与样品处于不同间距分类 4 接触模式 针尖与样品在零点几纳米的斥力区域 探针尖端和样品做柔软性的 实际接触 当针尖轻轻扫过样品表面时 接触的力量引起悬臂弯曲 进而得到样品的表面图形 恒力模式 恒高模式接触样品时可能会使样品表面弯曲 经过多次扫描后 针尖或者样品有钝化现象 这种模式不适用于研究生物大分子 低弹性模量样品以及容易移动和变形的样品 5 非接触模式 针尖在样品表面的上方振动 始终不与样品接触探测器检测的是范德华作用力和静电力等对成像样品没有破坏的长程作用力 需要使用较坚硬的悬臂 防止与样品接触 所得到的信号更小 需要更灵敏的装置 这种模式虽然增加了显微镜的灵敏度 但当针尖和样品之间的距离较长时 分辨率要比接触模式和轻敲模式都低 不适合液体成像 对于研究柔软或有弹性的样品较佳 针尖或者样品表面不会有钝化效应 通常不适用于在液体中成像 在生物中的应用也很少 6 轻敲模式 微悬臂在共振频率附近受迫振动 针尖轻敲表面间断性与样品接触 当针尖与样品不接触时 微悬臂以最大振幅自由振荡 当针尖与样品表面接触时 尽管压电陶瓷片以同样的能量激发微悬臂振荡 但是空间阻碍作用使得微悬臂的振幅减小 反馈系统控制微悬臂的振幅恒定 针尖就跟随表面的起伏上下移动获得形貌信息 接触时间非常短暂 针尖与样品相互作用力小 适用于对生物大分子 聚合物等软样品的成像研究 大程度地降低了针尖对表面结构的 搬运效应 样品表面起伏较大的扫描比非接触式的更有效 7 功能 表面形貌的表征可得到样品表面粗糙度 颗粒度 平均梯度 孔结构和孔径分布等参数 晶型结构 聚集状态和分子结构表面物化属性的表征测量力 距离曲线 分析作用力 可了解表面的压弹性 粘弹性 硬度等物理性质 将探针修饰后可具有特定分子识别功能 8 AFM测量结果影响因素 探针与样品表面力值扫描速度探针本身样品自身因素针尖的污染及磨损 F kxK Ewt3 4L3f2 k 4 2mE 弹性模量w L t f m 微悬臂宽 长 厚 共振频率和质量 9 优点 高横向纵向分辨率生理状态下成像分子水平实时动态研究结构功能环境不受限制非导电物质成像 10 缺点 受样品因素限制较大 不可避免 针尖易磨钝或受污染 磨损无法修复 污染清洗困难 针尖 样品间作用力较小近场测量干扰问题扫描速率低针尖的放大效应 11 实例 沉积在硅衬底上的金属铝薄膜扫描图像 5nm 10nm 20nm 12 实例 350nm聚苯乙烯微球60nm聚苯乙烯微球 标准物质的AFM扫描图 13 实例 分散在云母片上的DNA 14 实例 修饰针尖鉴别反应途径 1 2 bis 2 ethynylphenyl ethynyl benzene 15 参考文献 1 AltmanEI BaykaraMZ SchwarzUD ChemInformAbstract NoncontactAtomicForceMicroscopy AnEmergingToolforFundamentalCatalysisResearch J Cheminform 2015 46 2 张德添 何昆 张飒 等 原子力显微镜发展近况及其应用 J 现代仪器 2002 03期 6 9 3 王中平 谢宁 张宪峰 等 原子力显微镜实验的教学研究 J 物理实验 2015 第5期 24 29 4 刘岁林 田云飞 陈红 等 原子力显微