材料特性表征课件：第四章 扫描探针显微分析技术

1、材料特性表征材料特性表征 Characteristic Technique of Materials 地址：南区理化楼地址：南区理化楼D121 第四章第四章 扫描探针扫描探针 显微分析技术显微分析技术 上节课的重点内容上节课的重点内容 第四章第四章 扫描探针显微分析技术扫描探针显微分析技术 扫描探针显微镜（扫描探针显微镜（SPM）是一类仪器的总称，）是一类仪器的总称， 包括扫描隧道显微镜包括扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜、原子力显微镜 (AFM) 是一种具有超高的是一种具有超高的3D分辨率的轮廓仪分辨率的轮廓仪 能够实现原子级别、能够实现原子级别、1nm分辨率，可以测量分辨率，可以测量

2、 诸如表面电导率、静电电荷分布、区域摩擦诸如表面电导率、静电电荷分布、区域摩擦 力、磁场等物理特性。力、磁场等物理特性。 所有所有 SPM 基本部件：基本部件： 与光学显微镜和电子与光学显微镜和电子 显微镜不同，显微镜不同，SPM不不 利用任何光学或电子利用任何光学或电子 透镜成像，而是当探透镜成像，而是当探 针在样品表面扫描时针在样品表面扫描时 某种信号（电流或力）某种信号（电流或力） 随针尖随针尖-样品间隙（距样品间隙（距 离）变化而变化，通离）变化而变化，通 过检测该信号，而获过检测该信号，而获 得样品表面形貌、静得样品表面形貌、静 电、磁性等特征。电、磁性等特征。 第四章第四章 扫描探

3、针显微分析技术扫描探针显微分析技术 ） 第四章第四章 扫描探针显微分析技术扫描探针显微分析技术 第四章第四章 扫描探针显微分析技术扫描探针显微分析技术 4.1 扫描隧道显微镜 STM 4.2 原子力显微技术 AFM 4.3 其他扫描探针显微技术 第四章第四章 扫描探针显微分析技术扫描探针显微分析技术 4.1 扫描隧道显微镜 STM 4.2 原子力显微技术 AFM 4.3 其他扫描探针显微技术 扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelling Microscope STM） 特点：能够获得表面原子结构特点：能够获得表面原子结构 4.1扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM）

4、 STM是所有扫描探针显微镜的祖先是所有扫描探针显微镜的祖先 1981年，年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛瑞士苏黎士实验室的葛宾尼和海宾尼和海罗雷尔研制罗雷尔研制 出世界上第一台扫描隧道显微镜。出世界上第一台扫描隧道显微镜。 STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的 排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、 材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛 的应用前景，被国际科学界公认为的应用前景，被国际科学界公认为20

5、世纪世纪80年代世界十大科年代世界十大科 技成就之一。技成就之一。 p为表彰为表彰STM的发明的发明 者们对科学研究所作者们对科学研究所作 出的杰出贡献，出的杰出贡献，1986 年宾尼和罗雷尔被授年宾尼和罗雷尔被授 予诺贝尔物理学奖予诺贝尔物理学奖 4.1扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM） 对于经典物理学来说，当一个粒子的动能对于经典物理学来说，当一个粒子的动能 低于前方势垒的高度时，它不可能越过此低于前方势垒的高度时，它不可能越过此 势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被 弹回。弹回。 而按照量子力学的计算，在一般情况下，而按照量子力学的计算，在一般情

6、况下， 其透射系数不等于零，也就是说，粒子可其透射系数不等于零，也就是说，粒子可 以穿过比它能量更高的势垒，这个现象称以穿过比它能量更高的势垒，这个现象称 为隧道效应。为隧道效应。 当粒子为电子、势垒宽度为纳米级别时，当粒子为电子、势垒宽度为纳米级别时， 可以发生隧道效应，又称量子隧穿效应。可以发生隧道效应，又称量子隧穿效应。 扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学 中的隧道效应。中的隧道效应。 4.1 扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM） STM使用锐化的导电针尖，在针尖与样品之间施加偏置电压，样品与针使用锐化的导电针尖，在针尖与样品之间施加偏置电压

7、，样品与针 尖中的电子可以尖中的电子可以“隧穿隧穿”过间隙到达对方。过间隙到达对方。 由此产生的隧穿电流随着针尖由此产生的隧穿电流随着针尖-样品间隙变化而变化，故被用作得到样品间隙变化而变化，故被用作得到 STM图像的信号。图像的信号。 上述隧穿效应产生的前提是，上述隧穿效应产生的前提是， 样品应是导体或半导体。样品应是导体或半导体。 4.1扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM） I Vbexp(-A S) 1/2 隧道电流与针尖隧道电流与针尖-样品表面间距离关系（样品表面间距离关系（S）：）： 隧穿电流是间距的指数函数，隧道电流对间距的变化是隧穿电流是间距的指数函数，隧道电流对间距的变化是

8、 非常敏感的。非常敏感的。 如果针尖与样品间隙（如果针尖与样品间隙（0.1nm级尺度）变化级尺度）变化10%，隧道，隧道 电流则变化一个数量级。这种指数关系赋予电流则变化一个数量级。这种指数关系赋予STM很高的很高的 灵敏度，所得样品表面图像具有高于灵敏度，所得样品表面图像具有高于0.1nm的垂直精度的垂直精度 和原子级的横向分辨率。和原子级的横向分辨率。 4.14.1扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STMSTM） 恒电流模式是针尖在样品表面扫描时，在偏压不变的情况下，恒电流模式是针尖在样品表面扫描时，在偏压不变的情况下， 始终保持隧道电流恒定。当给定偏压始终保持隧道电流恒定。当给定偏压Vb，

9、并确定样品，并确定样品-针尖的平针尖的平 均功函数时，隧道电流的大小仅取决于针尖均功函数时，隧道电流的大小仅取决于针尖-样品间的距离样品间的距离S。 恒电流模式恒电流模式 STM两种工作模式两种工作模式 4.1扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM） 在恒电流模式下，在恒电流模式下，STM的反馈控制系统通过调整扫描器的反馈控制系统通过调整扫描器 在每个测量点的高度动态地保证隧道电流不变。在每个测量点的高度动态地保证隧道电流不变。 比如，当系统检测到隧道电流增加时，就会调整加在压电比如，当系统检测到隧道电流增加时，就会调整加在压电 扫描器上的电压来增加针尖扫描器上的电压来增加针尖-样品间隙。样品

10、间隙。 如果系统把隧道电流恒定在如果系统把隧道电流恒定在2%的范围以内，则针尖与样的范围以内，则针尖与样 品间的距离变化可以保持在品间的距离变化可以保持在1pm以内。因此，以内。因此，STM在与样在与样 品表面垂直的方向上的深度分辨率可以达到几个品表面垂直的方向上的深度分辨率可以达到几个pm。 4.14.1扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STMSTM） 恒高模式恒高模式 始终控制针尖在样品表面某始终控制针尖在样品表面某 一水平高度上扫描，随着样一水平高度上扫描，随着样 品表面高低起伏，隧道电流品表面高低起伏，隧道电流 不断变化。不断变化。 通过提取扫描过程中针尖通过提取扫描过程中针尖- 样品间

11、隧道电流变化的信息样品间隧道电流变化的信息 （反映出样品表面起伏的结（反映出样品表面起伏的结 构特征），就可以得到样品构特征），就可以得到样品 表面的原子图像。表面的原子图像。 4.14.1扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STMSTM） 两种模式各有利弊 恒高模式扫描速率较高，因为控制系统不必上下移动 扫描器，但这种模式仅适用于相对平滑的表面。 恒电流模式随样品表面起伏而上下运动，不会因表面 起伏太大而碰撞到样品，更适合观察表面起伏大的样 品；但比较耗时。 4.14.1扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STMSTM） 隧穿电流图像表述样品形貌，但更为精确地，隧穿电流隧穿电流图像表述样品形貌，但更

12、为精确地，隧穿电流 对应的是表面电子态密度。对应的是表面电子态密度。 实际上，实际上，STM检测的是在由偏压决定的能量范围之间、检测的是在由偏压决定的能量范围之间、 费米能级附近被充满和未充满的电子态数量，或者说是费米能级附近被充满和未充满的电子态数量，或者说是 具有恒定隧穿几率的曲面，而不是物理形貌。具有恒定隧穿几率的曲面，而不是物理形貌。 STM图像不仅勾画出样品表面原子的几何结构，而且还图像不仅勾画出样品表面原子的几何结构，而且还 反映了原子的电子结构特征反映了原子的电子结构特征 因此因此STM图像是样品表面原子几何结构和电子结构综合图像是样品表面原子几何结构和电子结构综合 效应的结果。

13、效应的结果。 4.1扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM） STM扫描图像处理扫描图像处理 光栅三维图像 4.1扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM） STM最重要的用途在于纳米技术上 “许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科 学的事情，而没有什么实际意义。但我确信纳米 科技已经具有与150年前微米科技所具有的希望和 重要意义。150年前，微米成为新的精度标准，并 成为工业革命的技术基础，最早和最好学会并使 用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的 优势。同样，未来的技术将属于那些明智地接受 纳米作为新标准、并首先学习和使用它的国家。 不幸的是，目前对这一新领域持保留和怀疑态度 的还大

14、有人在。我们应当记住，微米曾同样地被 认为对使用牛耕地的农民无关紧要。的确，微米 与牛和耕犁毫无关系，但它却改变了耕作方式， 带来了拖拉机。” 4.1扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM） “看见”了以前所看不到的东西 STM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0.1纳 米，垂直分辨率小于0.001纳米。一般来讲，物体 在固态下原子之间的距离在零点一到零点几个纳 米之间。在扫描隧道显微镜下，导电物质表面结 构的原子、分子状态清晰可见。 4.1扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM） a)STM image of the short-range ordering of head-to-tail

15、coupled poly(3-dodecylthiophene) on highly oriented pyrolytic graphite (20 20nm); b)calculated model of poly(3-dodecylthiophene) corresponding to the area enclosed in the white square in (a); c) three-dimensional image of 3 showing submolecular resolved chains and folds (9.39.3nm2)7 扫描探针显微镜的应用扫描探针显微

16、镜的应用 呈现原子或分子的表面特性 4.1扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM） 扫描探针显微镜的应用扫描探针显微镜的应用 用于研究物质的动力学过程 (a-c) Time-sequenced constant-current(height mode) STM images showing the nucleation and growth of benzenethiol (BT) molecules at Pt( ) potentiostated at 0.15V in 0.1M HClO48. 4.1扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM） 检测材料的性能 a) STM image of

17、a SWCNT end (I=300 pA, Vsample=546 mV, 45 nm 319 nm). b) scanning tunneling spectroscopy(STS) data on the left-hand side of the dotted line in (a). C) STS data on the right-hand side of the dotted line in (a). d) Simultaneously recorded spatially resolved STS image, Vstab=546 mV, Istab=5300 pA and V

18、mod=510 mV.11 扫描探针显微镜的应用扫描探针显微镜的应用 4.1扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM） 实现了单原子和单分子操纵 利用STM针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸引或排斥 作用，使吸附分子在材料表面发生横向移动，具体又可分 为“牵引”、“滑动”、“推动”三种方式 通过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上，然后移动到 新的位置，再将分子沉积在材料表面 通过外加一电场，改变分子的形状，但却不破坏它的化学 键 4.1扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM） 4.1扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM） 单分子化学反应已经成为现实 单原子、单分子操纵在化学上一个极具诱惑力的潜

19、在应用 是可能实现“选键化学”对分子内的化学键进行选择 性的加工。虽然这是一个极具挑战性的目标，但现在已有 一些激动人心的演示性的结果。 在康奈尔大学Lee和Ho的实验中，STM被用来控制单个的 CO分子与Ag(110)表面的单个Fe原子在13K的温度下成键， 形成FeCO和Fe(CO)2分子。同时，他们还通过利用STM研 究C-O键的伸缩振动特性等方法来确认和研究产物分子。 他们发现CO以一定的倾角与Fe-Ag(110)系统成键(即CO分 子倾斜地立在Fe原子上)，这被看成是Fe原子局域电子性 质的体现。 4.1扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM） 一个更为直观的例子是由Park等人完成

20、的，他们 将碘代苯分子吸附在Cu单晶表面的原子台阶处， 再利用STM针尖将碘原子从分子中剥离出来，然 后用STM针尖将两个苯活性基团结合到一起形成 一个联苯分子，完成了一个完整的化学反应过程。 单分子化学反应已经成为现实 4.1扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM） 扫描隧道显微镜在恒电流工作模式下，有时它对样品表面 微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率 较差. 扫描隧道显微镜所观察的样品必须具有一定程度的导电性， 对于半导体，观测的效果就差于导体，对于绝缘体则根本 无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层，则由于导电 层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实表面的分辨 率。 扫

21、描隧道显微镜的工作条件受限制，如运行时要防振动， 探针材料在南方应选铂金，而不能用钨丝，钨探针易生锈。 扫描隧道显微镜的局限性 4.1扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM） 第四章第四章 扫描探针显微分析技术扫描探针显微分析技术 4.1 扫描隧道显微镜 STM 4.2 原子力显微技术 AFM 4.3 其他扫描探针显微技术 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 从扫描隧道显微镜的工作原理可知，其工作时从扫描隧道显微镜的工作原理可知，其工作时 必须实时通过检测针尖和样品间隧道电流变化必须实时通过检测针尖和样品间隧道电流变化 实现样品结构成像，因此它只能用于观察导体实现样品结构成像，因此它

22、只能用于观察导体 或半导体材料的表面结构，不能实现对绝缘体或半导体材料的表面结构，不能实现对绝缘体 表面形貌的观察。表面形貌的观察。 为了测量绝缘体样品的表面结构，为了测量绝缘体样品的表面结构，19861986年，年， G.BinningG.Binning在扫描隧道显微镜的基础上发明了原在扫描隧道显微镜的基础上发明了原 子力显微镜。子力显微镜。 主要不同点是扫描隧道显微镜检测的是针尖主要不同点是扫描隧道显微镜检测的是针尖- - 样品间的隧道电流，而原子力显微镜检测的是样品间的隧道电流，而原子力显微镜检测的是 由针尖和样品间的微悬臂的形变。因此原子力由针尖和样品间的微悬臂的形变。因此原子力 显微

23、镜有两个独特的部分：对微弱力敏感的悬显微镜有两个独特的部分：对微弱力敏感的悬 臂和力检测器。臂和力检测器。 原子力显微镜是一种类似于扫描隧道显微镜的原子力显微镜是一种类似于扫描隧道显微镜的 显微技术，它的仪器结构（机械结构和控制系显微技术，它的仪器结构（机械结构和控制系 统）在很大程度上与扫描隧道显微镜相同。如统）在很大程度上与扫描隧道显微镜相同。如 用压电扫描器，反馈控制器。用压电扫描器，反馈控制器。 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 原子力显微镜使用一个原子力显微镜使用一个 一端固定，另一端装有一端固定，另一端装有 针尖这样一个对微弱力针尖这样一个对微弱力 敏感的悬臂。针尖长为

24、敏感的悬臂。针尖长为 若干微米，直径通常小若干微米，直径通常小 于于100nm100nm，悬臂长，悬臂长100-100- 200200微米。微米。 当针尖或样品扫描时，当针尖或样品扫描时， 由于针尖或样品间的相由于针尖或样品间的相 互作用（可能是吸引力，互作用（可能是吸引力， 可能是排斥力）将使悬可能是排斥力）将使悬 臂产生微小的形变。臂产生微小的形变。 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 反馈系统则根据检测器反馈系统则根据检测器 检测的结果不断调整针检测的结果不断调整针 尖（或样品）尖（或样品）Z Z轴方向轴方向 的位置，以保证在整个的位置，以保证在整个 扫描过程中悬臂微小形扫描过

25、程中悬臂微小形 变不变，即针尖与样品变不变，即针尖与样品 间的作用力恒定。测量间的作用力恒定。测量 高度高度Z Z随（随（x x，y y）位置）位置 变化，就可以得到样品变化，就可以得到样品 表面的形貌图像。表面的形貌图像。 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM SPA-300HV 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM Etched Silicon Cantilever/Tip Nominal radius of curvature = 5-10nm 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM Etched Silicon Can

26、tilever/Tip Nominal radius of curvature = 5-10nm 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM Etched Silicon Cantilever/Tip 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM Etched Silicon Cantilever/Tip 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 4.2.1 原子力显微镜的结构原子力显微镜的结构 4.2.2 造成造成AFM悬臂偏转的力悬臂偏转的力 4.2.3 三种类型的三种类型的AFM 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 针尖和样品表面间的力 导致悬臂弯曲或偏转。 当针尖在样品

27、上方扫描 或样品在针尖下做光栅 式运动时，探测器可实 时地检测悬臂的状态， 并将其对应的表面形貌 像显示纪录下来。 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 4.2.1 原子力显微镜的结构原子力显微镜的结构 4.2.1 原子力显微镜的结构原子力显微镜的结构 利用光学技术检测悬利用光学技术检测悬 臂位置臂位置 一束激光被悬臂反射一束激光被悬臂反射 到位敏光探测器到位敏光探测器 (PSPD)(PSPD)，当悬臂变形，当悬臂变形 时投射在探测器上的时投射在探测器上的 激光光斑的位置发生激光光斑的位置发生 偏移，偏移，PSPDPSPD可以可以1nm1nm的的 精度测量出这种偏移。精度测量出这种偏移

28、。 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 范德瓦尔斯力。 毛细力。由于通常环境下， 在样品表面存在一层水膜， 水膜延伸并包裹住针尖，就 会产生毛细力，它具有很强 的吸引（大约为10-8N）。 范德瓦尔斯力和毛细力的合 力构成接触力。 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 4.2.2 造成造成AFM悬臂偏转的力悬臂偏转的力 吸引力 atom atom 范德瓦尔斯力范德瓦尔斯力吸引力吸引力 在非接触区间，悬臂和样品间的原子距在非接触区间，悬臂和样品间的原子距 离保持在几纳米至几十纳米的量级，相离保持在几纳米至几十纳米的量级，相 互间存在的是吸引力，这种吸引力来自互间存在的是吸引力，

29、这种吸引力来自 长程的范德瓦尔斯相互作用。长程的范德瓦尔斯相互作用。 当悬臂和样品间距离达到约为化学键长当悬臂和样品间距离达到约为化学键长 时（小于时（小于1nm1nm），原子间作用力变为零。），原子间作用力变为零。 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 4.2.2 造成造成AFM悬臂偏转的力悬臂偏转的力 斥力 atom atom 范德瓦尔斯力范德瓦尔斯力排斥力排斥力 若缝隙进一步减小，范德瓦尔斯力成若缝隙进一步减小，范德瓦尔斯力成 为正值的排斥力，此时原子是接触的，为正值的排斥力，此时原子是接触的， 悬臂和样品间是排斥力。在排斥区间，悬臂和样品间是排斥力。在排斥区间， 范德瓦尔斯力曲

30、线的斜率是非常陡的。范德瓦尔斯力曲线的斜率是非常陡的。 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 4.2.2 造成造成AFM悬臂偏转的力悬臂偏转的力 4.2.3.1 接触式接触式AFM 4.2.3.2 非接触非接触AFM 4.2.3.3 轻敲式轻敲式AFM 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 4.2.3 三种类型的三种类型的AFM 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 4.2.3.1 接触式接触式AFM 4.2.3 三种类型的三种类型的AFM Contact Mode AFM 接触模式，也被称为接触模式，也被称为 排斥力模式排斥力模式AFMAFM针尖与针尖与 样品有轻微的

31、物理接样品有轻微的物理接 触。在这种工作模式触。在这种工作模式 下，针尖和与之相连下，针尖和与之相连 的悬臂受范德瓦尔斯的悬臂受范德瓦尔斯 力和毛细力两种力的力和毛细力两种力的 作用，二者的合力构作用，二者的合力构 成接触力。成接触力。 图7.5溅射过程中，不同厚度的透明导电涂层ITO的表面形貌像 （左）120nm (右) 450nm 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 4.2.3.1 接触式接触式AFM 4.2.3 三种类型的三种类型的AFM 溅射过程中，不同厚度的透明导电涂层ITO的表面形貌像 （左）120nm (右) 450nm 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 4

32、.2.3.1 接触式接触式AFM 4.2.3 三种类型的三种类型的AFM 当扫描器驱动针尖当扫描器驱动针尖 在样品表面（或样在样品表面（或样 品在针尖下方）移品在针尖下方）移 动时，接触力会使动时，接触力会使 悬臂弯曲，产生适悬臂弯曲，产生适 应形貌的变形，检应形貌的变形，检 测这些变形，便可测这些变形，便可 以得到表面形貌像。以得到表面形貌像。 AFMAFM检测到悬臂的偏转后，则可工作在恒高或检测到悬臂的偏转后，则可工作在恒高或 恒力模式下获取形貌图像或图形文件。恒力模式下获取形貌图像或图形文件。 在恒高模式，扫描器的高度是固定的，悬臂在恒高模式，扫描器的高度是固定的，悬臂 的形态变化直接转

33、换成形貌数组。的形态变化直接转换成形貌数组。 在恒力模式，悬臂变形被输入到反馈电路，在恒力模式，悬臂变形被输入到反馈电路， 控制扫描器上下运动，以维持针尖和样品原控制扫描器上下运动，以维持针尖和样品原 子的相互作用力恒定。在此过程中，扫描器子的相互作用力恒定。在此过程中，扫描器 的运动被转换成图像或图形文件。的运动被转换成图像或图形文件。 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 4.2.3.1 接触式接触式AFM 4.2.3 三种类型的三种类型的AFM 恒力工作模式的扫描器速度受限于反馈回路恒力工作模式的扫描器速度受限于反馈回路 的响应时间，但针尖施加在样品上的力得到的响应时间，但针尖施

34、加在样品上的力得到 很好的控制，故在大多数应用中被优先选用。很好的控制，故在大多数应用中被优先选用。 恒高模式常被用于获得原子级平整样品的原恒高模式常被用于获得原子级平整样品的原 子分辨像。子分辨像。 10 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 4.2.3.1 接触式接触式AFM 4.2.3 三种类型的三种类型的AFM 非接触AFM（NC-AFM）应用一种振动 悬臂技术，针尖与样品间距处于数十至 数百埃的范围。此范围在图7-4范德瓦尔 斯曲线中标注为非接触区间。 刚硬的悬臂在系统的驱动下以接近于共 振点的频率振动。 共振频率随随着悬臂所受的力的梯度变 化，也反映针样间隙或样品形貌的变

35、化。 检测共振频率或振幅的变化，可以获得 样品表面形貌信息。 含水滴表面的接触和非接 触AFM图像 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 4.2.3.2 非接触非接触AFM 4.2.3 三种类型的三种类型的AFM 4.2.3 三种类型的三种类型的AFM 非接触非接触AFM(NC-AFM)AFM(NC-AFM)应用振动悬臂技术，针尖与样品间距应用振动悬臂技术，针尖与样品间距 处于几纳米至数十纳米范围，在范德瓦尔斯曲线中的非接处于几纳米至数十纳米范围，在范德瓦尔斯曲线中的非接 触区间。触区间。 针尖与样品之间不接触或略有接触，二者之间的作用力很针尖与样品之间不接触或略有接触，二者之间的作用

36、力很 小，在研究软体或弹性样品是非常有利的。小，在研究软体或弹性样品是非常有利的。 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 4.2.3.2 非接触非接触AFM 悬臂共振频率和样品形貌变化关系悬臂共振频率和样品形貌变化关系 刚硬的悬臂在系统的驱动下以接近于共振点的频刚硬的悬臂在系统的驱动下以接近于共振点的频 率（典型值从率（典型值从100-400KHz100-400KHz）振动，振幅则是几纳）振动，振幅则是几纳 米至数十纳米。共振频率随悬臂所受力的梯度变米至数十纳米。共振频率随悬臂所受力的梯度变 化，力的梯度可由力化，力的梯度可由力- -间隙关系曲线的微分得到。间隙关系曲线的微分得到。 4

37、.2.3 三种类型的三种类型的AFM 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 4.2.3.2 非接触非接触AFM 在在NC-AFMNC-AFM中，采用恒力模式，系统检测悬臂的共中，采用恒力模式，系统检测悬臂的共 振频率或振幅并借助反馈控制器提升和降低扫描振频率或振幅并借助反馈控制器提升和降低扫描 器，同时保证共振频率或振幅不变，扫描器的运器，同时保证共振频率或振幅不变，扫描器的运 动转换成图像或图形文件。动转换成图像或图形文件。 4.2.3 三种类型的三种类型的AFM 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 4.2.3.2 非接触非接触AFM 接触式与非接触式接触式与非接触式AFM

38、AFM比较：比较： 接触式接触式AFMAFM多次扫描之后经常观察到针尖和样品变质现象，多次扫描之后经常观察到针尖和样品变质现象， 所以测量软体样品时所以测量软体样品时NC-AFMNC-AFM比接触式比接触式AFMAFM更具优越性。更具优越性。 在刚性样品情况下，接触和非接触模式成像，所得的图像在刚性样品情况下，接触和非接触模式成像，所得的图像 质量是一样的。质量是一样的。 4.2.3 三种类型的三种类型的AFM 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 4.2.3.2 非接触非接触AFM 但在刚性样品表面存在若干层凝结水时，图像是极不相同的。但在刚性样品表面存在若干层凝结水时，图像是极不相

39、同的。 接触模式的接触模式的AFMAFM会穿过液体层获得被液体淹没的样品表面图会穿过液体层获得被液体淹没的样品表面图 像，而非接触模式像，而非接触模式AFMAFM只能对液体层的表面成像。只能对液体层的表面成像。 但由于范德华引力较弱，接触模式分辨率较低。但由于范德华引力较弱，接触模式分辨率较低。 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 3 轻敲成像模式轻敲成像模式 同非接触模式相似，在针尖扫描过程中，微悬臂也是震荡同非接触模式相似，在针尖扫描过程中，微悬臂也是震荡 的，其振幅比非接触模式更大，同时针尖在震荡时间断地的，其振幅比非接触模式更大，同时针尖在震荡时间断地 与样品接触。与样品接触

40、。 在微悬臂震荡过程中，由于针尖间断式地与样品接触，因在微悬臂震荡过程中，由于针尖间断式地与样品接触，因 此其振幅不断改变。此其振幅不断改变。 反馈系统根据检测到这个变化的振幅，不断调整针尖与样反馈系统根据检测到这个变化的振幅，不断调整针尖与样 品间距，以便控制微悬臂振幅，进而控制针尖在样品表面品间距，以便控制微悬臂振幅，进而控制针尖在样品表面 上力的恒定，从而获得原子力显微图像。上力的恒定，从而获得原子力显微图像。 优点：分辨率高，可应用于柔性、易碎和粘附性样品。优点：分辨率高，可应用于柔性、易碎和粘附性样品。 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM AFM images (5 m 5

41、 m) of film (5 %) Ru-PVK (a) and (5 %)Ru-PBD (b). 3 nm 2 nm 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM Continuous AFM height images of melt-crystallized poly(R)-3-hydroxybutyric acid (PH3B) thin film before (A) and during (B-F) enzymatic degradation by PHB depolymerase from Ralstonia pickettii T1

42、 at 20 9 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 氧化锌薄膜的AFM图 (单位：nm) 氧化锌颗粒的颗粒比例图（a）和粒度分布 图（b） 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM Schematics of the AFM experiment. (a) The AFM tip is brought into contact with the graphitic aggregate layer on the surface of the silicon substrate. (b) During the approach period, several graphitic a

43、ggregates may become attached to the tip through a network structure and be stretched during the tip retraction.10 4.2 原子力显微技术原子力显微技术 AFM 第四章第四章 扫描探针显微分析技术扫描探针显微分析技术 4.1 扫描隧道显微镜 STM 4.2 原子力显微技术 AFM 4.3 其他扫描探针显微技术 第四章第四章 扫描探针显微分析技术扫描探针显微分析技术 STM、AFM是众多扫描探针显微技术 中的一部分。大多数商品化的仪器均 为模块化结构，只需在标配的镜体上 更换或增添少

44、量的硬件就可实现功能 的增加或转换 磁力显微技术（MFM） 可对样品表面磁力的 空间变化成像。 MFM的针尖上镀有铁 磁性薄膜，系统工作 在非接触模式，检测 由随针样间隙变化 的磁场引起的悬臂共 振频率的变化 4.3 其他扫描探针显微技术其他扫描探针显微技术 4.3.1磁力显微技术磁力显微技术 用磁力针尖获得的图像都包 含着表面形貌和磁特性 与范德瓦尔斯力相比，原子 间磁力在较大的间隙时仍保 留一定量值。在不同的针尖 高度下采集一系列图像是剥 离两种效应的一种途径。 如果针尖靠近表面，即处在 标准的非接触模式工作区间， 则图像主要含形貌信息。 随着间隙增大，磁力效应变 得显著。 硬盘磁记录单元的形貌像（左）和MFM图像（右） 4.3 其他扫描探针显微技术其他扫描探针显微技术 4.3.1磁力显微技术磁力显微技术 AFM针尖以接触方式扫描样品，将一周期信号加在针尖或样品上， 由此信号驱动产生的悬臂调制振幅随样品弹性而变。 4.3 其他扫描探针显微技术其他扫描探针显微技术 4.3.2 力调制显微术（力调制显