原子力显微镜的原理及应用ppt课件

AtomicForceMicroscopy原子力显微镜(AFM )，目录：AFM的发展历史AFM的原理AFM的分类AFM机器的组成影响AFM分辨率的因素AFM技术应用例子照片AFM的缺点，高级显微镜， 1938年德国工程师马克斯knoll和埃尔struska制造了世界上第一台透射电子显微镜(tem )，英国工程师CharlesOatley制造了第一台扫描电子显微镜(SEM )。 至此，电子显微镜的分辨率达到了纳米级，1983年IBM公司苏黎世研究所的两位科学家GerdBinnig和HeinrichRohrer通过扫描隧道显微镜(STM )应用电子的“隧道效应”原理，观测导体和半导体，观测隧道效应物体越过势垒，认为有阈值能量的粒子的能量如果小于该能量就不能跨越，如果大于该能量就能跨越。 比如，骑自行车过坡，先用力骑，坡低的话，不骑自行车也能用惯性走。 坡太高，不骑自行车的话，车一半就停，折回。 在量子力学中，即使粒子能量小于阈值能量，也有很多粒子碰撞势垒，一部分粒子反弹，几个粒子可以通过，故名隧道效应(quantumtunneling )就像有隧道一样。 宏观确定性往往在微观上具有不确定性。 在通常情况下，隧道效果不影响经典的宏观效果，但隧道的概率极少，但在某些特定条件下也出现了宏观隧道效果。AFM出现的意义、STM的原理是电子的“隧道效应”，因此只能测量导体和部分半导体，1985年，IBM公司的Binning和Stanford大学的Quate开发了原子力显微镜(AFM )，弥补了STM的不足，成像原理返回到探针如何成像，表面形态和材料如何测量，AFM有多种工作模式，1 .接触模式：力在排斥力范围，力的水平为10-910-8N或110eV/。 得到原子水平的分辨率。 2 .非接触模式：力在引力范围内，包括范德瓦尔斯力、静电力或磁力等。 3 .抽头模式4 .隔行模式5 .输出调制模式6 .输出曲线模式(forcecure ) 接触式AFM是反弹性模式，探针前端和样品进行柔软的“实际接触”，针尖轻轻扫描样品表面时，接触力会引起悬臂弯曲，得到样品的表面图案。 因为是接触式扫描，接触样品的话表面可能会弯曲。 多次扫描后，针尖和样品有钝化现象。 特征：通常接触样式能够生成稳定的高分辨率的图像。 然而，该模型不适用于研究生物高分子、低弹性模量样品、容易移动和变形的样品。 在接触式(contactmode )、非接触式原子力显微镜、非接触模式下，针尖在样品表面上方振动，经常不与样品接触，检测器检测到的是范德瓦尔斯力和静电力等对图像样品没有破坏的长力。 需要使用比较硬的悬臂(防止与样品接触)。 虽然所得信号需要更小、更敏感的装置，此模式增加了显微镜的灵敏度，但是针尖和样品之间的距离越长，分辨率比接触和抽头模式低。 特征：非接触状态，适合研究柔软样品和有弹性样品，针尖和样品表面没有钝化效果，但有误判定现象。 该模式的操作比较困难，通常不适合在液体中形成图像，在生物上的应用也很少。 非接触式(noncontactmode )、间歇接触式原子显微镜、微悬臂在其共振频率附近强制振动，振动的针尖轻轻敲击表面，断续地与样品接触。 针尖与样品不接触时，微臂以最大振幅自由振动。针尖接触试料表面时，压电陶瓷片以相同的能量激发微悬臂的振动，但空间阻碍作用使微悬臂的振幅减少。 反馈系统将微臂的振幅控制为一定，针尖随着表面的起伏上下移动来获得形态信息。 如、非接触式AFM那样，比非接触式更接近样品表面。 损伤样品的可能性比接触式小(不需要侧面力、摩擦、拖动)。 抽头模式的分辨率和接触模式一样好，而且接触时间非常短，所以针尖和样品的相互作用力小，通常在1微微牛顿(pN)1纳米牛顿(nN )下，剪断力引起的分辨率降低和样品的破坏几乎消失，所以生物高分子、聚合物特征：与基板结合不牢固的样品，抽头模式与接触模式相比，对针尖表面结构的“输送效果”大幅下降。 样品表面起伏大的大型扫描比非接触式更有效。 间歇接触式(tappingmode )、返回、原子力显微镜的构成、原子力显微镜的系统分为力检测部、位置检测部、反馈系统三部分。 力检测部：原子力显微镜(AFM )系统，检测的力是原子和原子之间的范德瓦尔斯力。 因此，本系统使用微小悬臂检测原子间力的变化量。 该微小的悬臂有长度、宽度、弹性系数、针尖形状等规格，这些规格的选择根据样品的特性和操作模式而选择不同类型的探针。 位置检测部：原子力显微镜(AFM )的系统中，针尖和样品之间存在相互作用时，悬臂会摆动，因此，当激光照射到cantileve的末端时，其反射光的位置也因悬臂的摆动而变化，产生偏移量。 在整个系统中，激光光斑位置检测器记录偏移量并将其转换成电信号，并且控制器执行信号处理。反馈系统：在原子力显微镜(AFM )系统中，通过激光检测器接收信号后，在反馈系统中，将该信号作为反馈信号作为内部的调整信号，适当地移动由通常压电陶瓷管制作的扫描仪，生成太阳原子力显微镜(AFM )是原子力显微镜(AFM )的系统，结合使用微小悬臂(cantilever )感知针尖和样品之间的相互作用、测量力这三部分，表现了样品的表面特性。 该力使cantilever摆动，利用激光向cantilever的末端照射光，使之摆动时，反射光的位置发生变化，产生偏移量，激光检测器记录该偏移量，将此时的信号提供给反馈系统，进行系统的适当调整返回，提高图像分辨率，1，发展新技术和模式，提高分辨率，即从硬件设备和成像机构提高图像分辨率。 例如，最近Fuchs等发明的q控制技术能够提高成像分辨率和信噪比。 即使采用输出调制模式、频率调制模式等，也能够有效地提高成像分辨率。 2 .选择前端曲率半径小的针尖，减小针尖与样品的接触面积，减小针尖的扩大效果，提高分辨率。 3、尽量避免针尖和样品表面的污染。 针尖有污染物，就会与表面多点接触，引起多针尖现象，引起伪像。 如果表面被污染，扫描过程中表面污染物可能附着在针尖上，产生伪像。 4、控制测试气氛，消除毛细力的影响。 由于毛细管力的存在，在空气中进行AFM成像时，样品和针尖之间的接触面积增大，分辨率降低。这种情况下，可以考虑在真空环境下进行测定，将干燥的N2插入气氛控制箱中，或者在溶液中进行图像化。 溶液的介电特性还影响针尖与样品之间的范德瓦尔斯力常数，可以减小它们之间的吸引力，提高图像分辨率。 但是，液体对针尖的衰减作用会带来反馈的滞后效果，因此不适合高速扫描。AFM针尖放大效果、AFM是使前端曲率半径小的微悬臂梁的针尖接触并在表面成像，得到的图像是针尖与样品的真实形态卷积而成的。 如图所示，实线表示样本的照片和实施例，虚线是通过针尖扫描获得的外观图像。 两者的不同是针尖和样品的实际接触点和外观接触点根据针尖移动的函数而变化的关系。 针尖效果不仅扩大了小结构，还导致了图像的不真实，特别是陡峭的突起和沟。 一般来说，如果针尖的曲率半径远小于表面结构的尺寸，就可以忽略针尖效果，针尖通过的轨迹几乎可以反映表面结构起伏的变化。 微悬臂梁的检测方法、AFM通过检测微悬臂梁的应变大小来获得样品的表面形态信息，因此微悬臂梁的应变检测技术至关重要。 迄今为止，检测微悬臂变形的方式主要有：1)隧道电流检测法2 )电容检测法3 )光学检测法4 )可变电阻检测法，5 )束偏转法。 该方法由Meyer和Amer于1988年发明，简便实用，广泛应用于目前的商品化机器中。 指出针尖-样品之间的力是微悬臂梁的力常数和变形量的积，任何一种测量方法都不影响微悬臂梁的力常数，且变形量的测量必须在1纳米以下。 回来，作为AFM应用技术的例子，AFM可以在大气、真空、低温和高温、不同气氛和溶液等各种环境下工作，不受样品导电性的限制，因此得到了比STM更广泛的应用。 主要用途：1.导体、半导体和绝缘体表面的高分辨率图像2 .生物样品、有机膜的高分辨率图像3 .表面化学反应研究4 .纳米加工和操纵，