AFM的原理及应用

AtomicForceMicroscopy原子力显微镜(AFM)，目录：AFM的发展历史AFM的原则AFM的分类影响AFM机器配置AFM分辨率的因素AFM技术应用案例照片示例AFM的缺点，高级显微镜，1938年，德国工程师马克斯knoll和knoll IBM苏黎世实验室的两位科学家GerdBinnig和HeinrichRohrer发明了观测导体或半导体的扫描隧道显微镜(STM)发明了电子的“隧道效应”原理，隧道效应，经典物理学认为物体有越过障碍物的临界能量； 如果粒子能量小于此能量，则不能超过；如果大于此能量，则可以超过。比如越过小山丘骑自行车，先用力骑，坡度低的话，就不用骑自行车，而是靠惯性骑过去。如果坡度高，不骑自行车，车子停到一半后往回开。量子力学认为，即使粒子能量小于阈值能量，也有很多粒子冲向障碍物，如果一些粒子反弹，就会有像有隧道一样可以过去的粒子，有一个古老的名字“隧道效应”(quantumtunneling)。可以看出宏观确定性在微观方面往往具有不确定性。通常，隧道效果不影响典型的宏观效果。因为隧道的可能性极小。但是，在一些泰丁的情况下，也可能出现宏观隧道效应。由于STM的原理是电子的“隧道效应”，1985年IBM的Binning和Stanford university的Quate只能测量导体和半导体的一部分，因此STM的返回不足、成像原理、恒定力或恒定高度、探针的成像方法、表面形态和物质的测量、返回接触模式：作用力在斥力范围内，力的量级为10-910-8n或110ev/。可以达到原子级的分辨率。2.非接触模式：作用力在重力范围内，包括范德华力、静电或磁力等。3.轻轻敲击模式4。Interleave模式(interleavenormalmode/lift模式)5。ForceModulationMode 6。力曲线模式(ForceCurveMode)、接触式原子力显微镜、接触式AFM在排斥模式、探针尖端和样本作为柔软的“实际接触”作用，当针轻轻扫过样本表面时，接触的力会使悬臂梁弯曲，从而获得样本的表面形状。因为是接触扫描，所以在接触样品时，样品表面可能会弯曲。扫描多次后，针端或样品有钝化现象。特征：通常，接触模式可以生成稳定、高分辨率的图像。但是，此模式不适用于生物大分子、低弹性模量样本和容易移动和变形的样本。接触式(contactmode)、非接触式原子显微镜、非接触模式下，针尖在样品表面上振动，并始终不与样品接触，探测器检测成像样品中没有破坏性的范德瓦尔斯作用力和静电等远距离力。必须使用更硬的悬臂(防止与样品接触)。得到的信号需要更小、更敏感的设备，该模式增加了显微镜的灵敏度，但是针端和样品之间的距离较长，分辨率比接触模式或敲击模式低。特征：由于非接触状态，对研究柔软、有弹性的样品有好处，在针尖或样品表面没有钝化效果，但可能有误判现象。这种模式操作比较小，不适合在液体中成像，在生物中也很少应用。非接触(noncontactmode)，间歇接触原子显微镜，微悬臂梁在共振频率附近进行强迫振动，振动的针端轻轻拍打表面，间歇接触样品。如果尖端不与样品接触，微悬臂梁将以最大振幅自由振动。当针尖接触样品表面时，压电陶瓷片会以相同的能量产生微悬臂梁振动，但由于空间干扰效应，微悬臂梁的振幅会减小。反馈系统均匀控制微悬臂梁的振幅，针尖沿着表面起伏上下运动，获得形态信息。类似于非接触AFM，比非接触更接近采样曲面。损坏样品的可能性小于接触式(没有侧向力、摩擦或拖动)。爆震模式的分辨率与接触模式一样好，接触时间非常短，因此针尖和样品的相互作用力很小，通常是由于剪切力导致的分辨率降低和样品的破坏几乎消失的1皮革牛顿(pn)到1牛顿(nN)，因此适合于生物大分子、聚合物等软样品的成像研究。特征：对于底座和一些不牢固的样品，敲模与接触模式相比，大大减少了表面结构的提示的“处理效果”。采样表面起伏大的大扫描比非接触扫描更有效。间歇接触模式，返回，原子力显微镜配置，原子力检测部分，位置检测部分，反馈系统。力检查部分：在原子力显微镜(AFM)系统中检查的力是原子和原子之间的范德瓦耳斯力。因此，该系统使用微小的悬臂梁来检测原子之间的力变化。此小型悬臂梁具有长度、宽度、弹性系数和销造型的特定规格，这些规格根据范例的性质和工作模式选择不同类型的探测。位置检测部分：在自动力显微镜(AFM)系统中，针尖和样品相互作用时，悬臂会晃动，因此激光到达容器末端时，反射光的位置也会因容器摆动而发生偏移。依靠激光光斑位置探测器记录偏移值，并将其转换为电信号，控制器可以将其视为信号。反馈系统：在自动力显微镜(AFM)系统中，通过环境探测器接收信号时，反馈系统将该信号用作内部调整信号，通常由压电陶瓷管制作的扫描仪执行适当的移动，以保持样品和针尖上的适当力。原子力显微镜(AFM)将这三个部分结合起来表示样例的表面特性。在原子力显微镜(AFM)的系统中，使用小悬臂梁(cantilever)检测针尖和样品之间的相互作用，并测量作用力。此作用力使cantilever摇晃，然后使用激光照亮cantilever的末端，形成摆动时，反射光的位置发生变化，从而产生偏移。此时，调光探测器记录此偏移，并将此信号发送到反馈系统，对系统进行适当调整，最后将样品的表面特性显示为图像。后退，提高图像分辨率，1，开发提高分辨率的新技术或模式，即在硬件设备和成像机制中提高图像分辨率。像最近在Fuchs等公司开发的q控制技术一样，可以提高成像分辨率和信噪比。使用力调制模式或频率调制模式等也可以有效地提高成像分辨率。2、选择刀尖曲率半径较小的刀尖，减小刀尖与示例之间的接触区域，减小刀尖的放大效果，从而提高分辨率。3、避免针端和样品表面的污染。针尖有污染物的话，与表面的接触就会增多，产生针尖现象，成为假图像。如果表面被污染，扫描过程中表面的污染物也可能粘在针的末端，产生假图像。4、控制试验气氛，消除毛细管力的影响。毛细管作用力会增加样品和尖端在空气中的接触面积，并降低分辨率，以便进行AFM成像。此时可以在真空环境下测量，在大气控制箱中冲洗干燥的N2，在溶液中成像等考虑。溶液的遗传特性还会影响针尖和样品之间的范德华作用常数，从而减少他们之间的吸引力，提高视频分辨率。但是，在针上阻尼液体会产生反馈的延迟效果，不适合快速扫描过程。AFM尖端放大效果，AFM通过尖端曲率半径极小的微悬臂梁尖端接触在曲面上成像，结果图像是与尖端和样本实际形状的卷积结果。如图中所示，实线表示样本的实际形式，虚线是通过尖头扫描看到的图像。两者的区别是针端和样品的实际接触点以及表观接触点与刀尖一起移动的函数的变化关系。针尖效果不仅会放大小的结构，还可能成为更陡的突起和凹槽中成像的不切实际原因。一般来说，如果针尖的曲率半径远小于表面结构的大小，针尖效果可以忽略，针尖通过的轨迹基本上可以反映表面结构的波动变化。微悬臂梁变形检测方法、AFM通过检测微悬臂梁变形的大小来获取样本表面形态信息，因此微悬臂梁变形检测技术非常重要。到目前为止，检测微悬臂梁变形的方法有：1)隧道电流检测方法2)电容检测方法3)光学检测方法4)压敏电阻检测方法，5)光束偏转方法。这种方法是梅尔和阿梅于1988年发明的，简单实用，广泛应用于当前的商业化机构。需要指出的是，针端-样品之间的作用力是微悬臂梁的力常数和形状变量的乘积，因此，任何检测方法都不应影响微悬臂梁的力常数，几何变量的检测必须小于1纳米。返回、AFM应用技术示例，AFM在大气、真空、低温和高温、其他气氛和溶液等各种环境下工作，并且样品的电导率没有限制，因此比STM应用得更广泛。主要用途：1 .导体、半导体和绝缘体表面的高分辨率成像2。生物样品，有机薄膜的高分辨率成像3。表面化学反应研究4。纳米加工和操作，5