原子力显微镜——袁涛

1、原子力显微镜原子力显微镜报告人：袁涛报告人：袁涛组员：付绿平、杜星、尹国恒、郭组员：付绿平、杜星、尹国恒、郭玉龙、文晋玉龙、文晋目录目录一 原子力显微镜的简介二 原子力显微镜的工作三 原子力显微镜的应用一一 原子力显微镜简介原子力显微镜简介 原子力显微镜（原子力显微镜（Atomic Force Microscope ，AFM），），一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。分析仪器。 扫描样品时，利用传感器检测，可获得作用力分布信息扫描样品时，利用传感器检测，可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。，从而以纳米级

2、分辨率获得表面结构信息。 原子力显微镜的组成原子力显微镜的组成 它主要由带针尖的微悬臂、微悬臂运动检测装置、监控其运它主要由带针尖的微悬臂、微悬臂运动检测装置、监控其运动的反馈回路、使样品进行扫描的压电陶瓷扫描器件、计算动的反馈回路、使样品进行扫描的压电陶瓷扫描器件、计算机控制的图像采集、显示及处理系统组成。其中微悬臂运动机控制的图像采集、显示及处理系统组成。其中微悬臂运动可用如隧道电流检测等电学方法或光束偏转法、干涉法等光可用如隧道电流检测等电学方法或光束偏转法、干涉法等光学方法检测学方法检测 。原子显微镜的特点原子显微镜的特点原子级高分原子级高分辨率，在平辨率，在平行和垂直于行和垂直于样品

3、表面方样品表面方向分别可达向分别可达0.1nm和和0.01nm.可实时的得可实时的得到实空间中到实空间中表面的三维表面的三维图像，可用图像，可用于具有周期于具有周期或不具备周或不具备周期性的表面期性的表面结构。结构。可以观察单可以观察单个原子层的个原子层的局部表面结局部表面结构，而不是构，而不是整个表面的整个表面的平均性质平均性质可在真空，可在真空，大气及常温大气及常温等不同环境等不同环境下工作，甚下工作，甚至可以浸在至可以浸在水和其他溶水和其他溶液中。液中。特点5高分辨力能力远远超过扫描电子显微镜（高分辨力能力远远超过扫描电子显微镜（SEM），以及光学粗糙度），以及光学粗糙度仪。样品表面的三

4、维数据满足了研究、生产、质量检验越来越微观仪。样品表面的三维数据满足了研究、生产、质量检验越来越微观化的要求。化的要求。 6非破坏性，探针与样品表面相互作用力为非破坏性，探针与样品表面相互作用力为10-8N以下，远比以往触以下，远比以往触针式粗糙度仪压力小，因此不会损伤样品，也不存在扫描电子显微针式粗糙度仪压力小，因此不会损伤样品，也不存在扫描电子显微镜的电子束损伤问题。另外扫描电子显微镜要求对不导电的样品进镜的电子束损伤问题。另外扫描电子显微镜要求对不导电的样品进行镀膜处理，而原子力显微镜则不需要。行镀膜处理，而原子力显微镜则不需要。 7应用范围广，可用于表面观察、尺寸测定、表面粗糙测定、颗

5、粒度应用范围广，可用于表面观察、尺寸测定、表面粗糙测定、颗粒度解析、突起与凹坑的统计处理、成膜条件评价、保护层的尺寸台阶解析、突起与凹坑的统计处理、成膜条件评价、保护层的尺寸台阶测定、层间绝缘膜的平整度评价、测定、层间绝缘膜的平整度评价、VCD涂层评价、定向薄膜的摩擦涂层评价、定向薄膜的摩擦处理过程的评价、缺陷分析等。处理过程的评价、缺陷分析等。 8软件处理功能强，其三维图象显示其大小、视角、显示色、光泽可软件处理功能强，其三维图象显示其大小、视角、显示色、光泽可以自由设定。并可选用网络、等高线、线条显示。图象处理的宏管以自由设定。并可选用网络、等高线、线条显示。图象处理的宏管理，断面的形状与

6、粗糙度解析，形貌解析等多种功能。理，断面的形状与粗糙度解析，形貌解析等多种功能。二二 原子力显微镜的工作原子力显微镜的工作 工作原理工作原理 原子力显微镜原子力显微镜:是一种利用原子是一种利用原子,分子间的相互作用力来观察分子间的相互作用力来观察物体表面微观形貌的新型实验技术物体表面微观形貌的新型实验技术.它有一根纳米级的探针，被它有一根纳米级的探针，被固定在可灵敏操控的微米级弹性悬臂上固定在可灵敏操控的微米级弹性悬臂上.当探针很靠近样品时当探针很靠近样品时,其其顶端的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲顶端的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲,偏离原来偏离原来的位置的位置.根据扫描

7、样品时探针的偏离量或振动频率重建三维图像根据扫描样品时探针的偏离量或振动频率重建三维图像.就能间接获得样品表面的形貌或原子成分。就能间接获得样品表面的形貌或原子成分。 AFM是在扫描隧道是在扫描隧道显微镜（显微镜（STM），的基础上发展起来的。所不同的是，它不是），的基础上发展起来的。所不同的是，它不是利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范德华力作用来呈现利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范德华力作用来呈现样品的表面特性。样品的表面特性。 原子力显微镜的各类针尖原子力显微镜的各类针尖样品要求样品要求 原子力显微镜研究对象可以是有机固体、聚合物以原子力显微镜研究对象可以是有机固体、聚合物以及生

8、物大分子等，样品的载体选择范围很大包括云母片及生物大分子等，样品的载体选择范围很大包括云母片、玻璃片、石墨、抛光硅片、二氧化硅和某些生物膜等、玻璃片、石墨、抛光硅片、二氧化硅和某些生物膜等 。其中最常用的是新剥离的云母片，主要原因是其非常。其中最常用的是新剥离的云母片，主要原因是其非常平整且容易处理平整且容易处理 。 试样的厚度，包括试样台的厚度，最大为试样的厚度，包括试样台的厚度，最大为10 mm。试样的大小以不大于试样台的大小（直径试样的大小以不大于试样台的大小（直径20 mm）为大）为大致的标准。稍微大一点也没问题。但是，最大值约为致的标准。稍微大一点也没问题。但是，最大值约为40 mm

9、。工作模式工作模式 原子力显微镜的工作模式是以针尖与样品之间的作用力原子力显微镜的工作模式是以针尖与样品之间的作用力的形式来分类的。主要有以下的形式来分类的。主要有以下3种操作模式种操作模式:接触模式接触模式(contact mode) ，非接触模式，非接触模式( non - contact mode) 和敲和敲击模式击模式( tapping mode) 。 除了三种常见的三种工作模式外，原子力显微镜还可以除了三种常见的三种工作模式外，原子力显微镜还可以进行下面的工作：横向力显微镜（进行下面的工作：横向力显微镜（LFM） 、 曲线测量曲线测量、纳米加工。、纳米加工。 原子力显微镜的应用范围十分

10、广泛，原子力显微镜的应用范围十分广泛， 其适用于生物、高分子、陶瓷、金属材料、其适用于生物、高分子、陶瓷、金属材料、矿物、皮革等固体材料等的显微结构和纳米结构矿物、皮革等固体材料等的显微结构和纳米结构的观测，以及粉末、微球颗粒形状、尺寸及粒径的观测，以及粉末、微球颗粒形状、尺寸及粒径分布的观测等文字内容，尤其是在生物技术领域，分布的观测等文字内容，尤其是在生物技术领域，其可在自然状态（空气或者液体）下对生物医学其可在自然状态（空气或者液体）下对生物医学样品直接进行成像，分辨率也很高。因此，样品直接进行成像，分辨率也很高。因此，AFM已成为研究生物医学样品和生物大分子的重要工已成为研究生物医学样

11、品和生物大分子的重要工具之一。具之一。三三 原子力显微镜的应用原子力显微镜的应用 表面形貌的观测表面形貌的观测 通过检测探针与样品问的作用力可表征样品表面的三维形貌通过检测探针与样品问的作用力可表征样品表面的三维形貌，这是，这是 AFM 最基本的功能。最基本的功能。 AFM 在水平方向具有在水平方向具有0.10.2nm的的高分辨率，在垂直方向的分辨率约为高分辨率，在垂直方向的分辨率约为0.01nm。尽管。尽管 AFM 和扫描和扫描电子显微镜（电子显微镜（SEM）的横向分辨率是相似的，）的横向分辨率是相似的，但但AFM和和SEM两两种技术的最基本的区别在于处理试样深度变化时有不同的表征种技术的最

12、基本的区别在于处理试样深度变化时有不同的表征。由于表面的高低起伏状态能够准确地以数值的形式获取，由于表面的高低起伏状态能够准确地以数值的形式获取，AFM对表面整体图像进行分析可得到样品表面的粗糙度、颗粒对表面整体图像进行分析可得到样品表面的粗糙度、颗粒度、平均梯度、孔结构和孔径分布等参数，也可对样品的形貌进度、平均梯度、孔结构和孔径分布等参数，也可对样品的形貌进行丰富的三维模拟显示，使图像更适合于人的直观视觉。在半导行丰富的三维模拟显示，使图像更适合于人的直观视觉。在半导体加工过程中通常需要测量高纵比结构，像沟槽和孔洞，以确定体加工过程中通常需要测量高纵比结构，像沟槽和孔洞，以确定刻蚀的深度和

13、宽度。这些在刻蚀的深度和宽度。这些在SEM下只有将样品沿截面切开才能测下只有将样品沿截面切开才能测量。量。AFM可以无损的进行测量后即返回生产线。可以无损的进行测量后即返回生产线。 纳米材料的分析纳米材料的分析 纳米材料科学的发展和纳米制备技术的进纳米材料科学的发展和纳米制备技术的进步，将需要更新的测试技术和表征手段，以评价步，将需要更新的测试技术和表征手段，以评价纳米粒子的粒径、形貌、分散和团聚状况。原纳米粒子的粒径、形貌、分散和团聚状况。原子力显微镜的横向分辨率为子力显微镜的横向分辨率为0.10.2nm，纵向为，纵向为0.01nm，能够有效的表征纳米材料。，能够有效的表征纳米材料。 用原子力