原子力显微镜的原理与应用

1、AFM的工作原理和的工作原理和应用应用姓名：赵慧旭姓名：赵慧旭学号：学号：2120110242铂悦（上海）有限公司铂悦（上海）有限公司Multimode生物型原子力显微镜生物型原子力显微镜 工工 作作 原原 理及仪理及仪 器器 结结 构构 操操 作作 模模 式式 常常 见见 问问 题题 应应 用用 举举 例例一、一、AFM的基本原理：的基本原理： 将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的作用

2、力，通过在扫描时控制这种力在极微弱的作用力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。 AFM AFM原理图原理图 二极管激光器发出的激光束经过光学系统聚焦在二极管激光器发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂背面，并从

3、微悬臂背面反射到由光电二极管构微悬臂背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器。在样品扫描时，由于样品表面成的光斑位置检测器。在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。就能获得被测样品表面形貌的信息。 在系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的在系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的距

4、离始终保持在纳米量级，距离太大不能获得样品表距离始终保持在纳米量级，距离太大不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品。反馈回面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品。反馈回路在工作过程中，由探针得到探针路在工作过程中，由探针得到探针-样品相互作用的样品相互作用的强度，来改变加在样品扫描器的伸缩，调节探针和被强度，来改变加在样品扫描器的伸缩，调节探针和被测样品间的距离，反过来控制探针测样品间的距离，反过来控制探针-样品相互作用的样品相互作用的强度，实现反馈控制。反馈控制是本系统的核心工作强度，实现反馈控制。反馈控制是本系统的核心工作机制。机制。以激光检测原子力显微镜以激光检测原子力显微

5、镜AFM为例，来详细说为例，来详细说明其工作原理明其工作原理原子力显微镜原子力显微镜与扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜最大的差别在于并非利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范德华力范德华力作用来呈现样品的表面特性。假设两个原子中，一个是在悬臂的探针尖端，另一个是在样本的表面，它们之间的作用力会随距离的改变而变化，其作用力与距离的关系如图所示。当原子与原子很接近时，彼此电子云斥力的作用大于原子核与电子云之间的吸引力作用，所以整个合力表现为斥力的作用，反之若两原子分开有一定距离时，其电子云斥力的作用小于彼此原子核与电子云之间的吸引力作用，故整个合力表现为引力的作用。原子之间的交互作用力原子之间的交互作

6、用力二、操作模式二、操作模式 原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间交互作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。原之间交互作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。原子力显微镜利用斥力与吸引力的方式发展出三种基本的子力显微镜利用斥力与吸引力的方式发展出三种基本的操作模式：操作模式： （1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原接触式原子力显微镜（子力显微镜（contact AFM），探针与试片的距离约几，探针与试片的距离约几个个。 （2）利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为）利用原子吸引力的变化而产生表面轮

7、廓为非接触非接触式原子力显微镜（式原子力显微镜（non-contact AFM），探针与试片的距，探针与试片的距离约几十到几百个离约几十到几百个。 （3）敲击式敲击式AFM与非接触式与非接触式AFM比较相似，但它比非比较相似，但它比非接触式接触式AFM有更近的样品与针尖距离一种恒定的驱动有更近的样品与针尖距离一种恒定的驱动力使探针悬臂以一定的频率振动力使探针悬臂以一定的频率振动(一般为几百千赫兹一般为几百千赫兹)。 三种模式的比较：三种模式的比较：接触模式（接触模式（Contact Mode）：）： 优点优点：扫描速度快，是唯一能够获得：扫描速度快，是唯一能够获得“原子分辨率原子分辨率”图像的

8、图像的AFM。垂。垂直方向上有明显变化的质硬样品，有时更适于用接触式扫描成像。直方向上有明显变化的质硬样品，有时更适于用接触式扫描成像。 缺点缺点：横向力影响图像质量。在空气中，因为样品表面吸附液层的毛：横向力影响图像质量。在空气中，因为样品表面吸附液层的毛细作用，使针尖与样品之间的粘着力很大。横向力与粘着力的合力导细作用，使针尖与样品之间的粘着力很大。横向力与粘着力的合力导致图像空间分辨率降低，而且针尖刮擦样品会损坏软质样品（如生物致图像空间分辨率降低，而且针尖刮擦样品会损坏软质样品（如生物样品，聚合体等）。样品，聚合体等）。 非接触模式（非接触模式（Non-Contact Mode）：）：

9、 优点优点：没有刮擦作用于样品表面。：没有刮擦作用于样品表面。 缺点缺点：由于针尖与样品分离，横向分辨率低；为了避免接触吸附层而：由于针尖与样品分离，横向分辨率低；为了避免接触吸附层而导致针尖胶粘，其扫描速度低于轻敲式和接触式导致针尖胶粘，其扫描速度低于轻敲式和接触式AFM。通常仅用于非。通常仅用于非常怕水的样品，吸附液层必须薄，如果太厚，针尖会陷入液层，引起常怕水的样品，吸附液层必须薄，如果太厚，针尖会陷入液层，引起反馈不稳，刮擦样品。由于上述缺点，非接触模式的使用受到限制。反馈不稳，刮擦样品。由于上述缺点，非接触模式的使用受到限制。 轻敲模式（轻敲模式（Tapping Mode）：）： 优

10、点优点：很好的消除了横向力的影响。降低了由吸附液层引起的力，图：很好的消除了横向力的影响。降低了由吸附液层引起的力，图像分辨率高，适于观测软、易碎、或胶粘性样品，不会损伤其表面。像分辨率高，适于观测软、易碎、或胶粘性样品，不会损伤其表面。 缺点缺点：比接触模式：比接触模式AFM 的扫描速度慢。的扫描速度慢。 实际工作情况实际工作情况 ： 实际的实际的AFM工作时并没有让探针保持在同一高度。因为如果样品表面太凹，工作时并没有让探针保持在同一高度。因为如果样品表面太凹，探针离样品表面太远，原子间作用力就太微弱；而如果样品面太凸，探针离探针离样品表面太远，原子间作用力就太微弱；而如果样品面太凸，探针

11、离样品表面太近，探针就要划破样品。样品表面太近，探针就要划破样品。 实际选择的方案是，让探针随凹凸不平的样品表面上下移动，始终保持实际选择的方案是，让探针随凹凸不平的样品表面上下移动，始终保持固定的距离，固定的距离， 即保持原子力的大小不即保持原子力的大小不 变。在样品表面凹的地方，变。在样品表面凹的地方， 原子力小原子力小了，探针就下来一点了，探针就下来一点 ，而在样品表面凸的地方，原子力大了点，探针上去一，而在样品表面凸的地方，原子力大了点，探针上去一点。探针这样一上一下的移动其实也描绘了样品表面点。探针这样一上一下的移动其实也描绘了样品表面 的大致轮廓。的大致轮廓。 AFM利用了范德华力

12、在小范围内可以看成与距离成正比这一特点来工作利用了范德华力在小范围内可以看成与距离成正比这一特点来工作的。因为只有成正比，的。因为只有成正比， 任何部分按同一比例放大，样品的面目才不会失真。任何部分按同一比例放大，样品的面目才不会失真。 至于选择在范德华力的哪一范围工作，这倒不是原则性问题。实际应用中，至于选择在范德华力的哪一范围工作，这倒不是原则性问题。实际应用中，根据不同的需要，原子力显微镜可以选择在斥力范围工作，也可以选择在吸根据不同的需要，原子力显微镜可以选择在斥力范围工作，也可以选择在吸引力范围工作。引力范围工作。 优点：优点：一：不同于电子显微镜只能提供二维图像，一：不同于电子显微

13、镜只能提供二维图像，AFM提供真正的三维表面图。提供真正的三维表面图。二：二： AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品 会造成不可逆转的伤害。会造成不可逆转的伤害。三：电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力显微镜在常压下甚至三：电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。可用来研究生物宏观分子，甚至活的在液体环境下都可以良好工作。可用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织。生物组织。四：四： 原子力显微镜与扫描隧道显微镜相比，由于能观测非导电样品，因原子力显微镜与扫描隧道显微镜

14、相比，由于能观测非导电样品，因此具有更为广泛的适用性。此具有更为广泛的适用性。 缺点：缺点：一：和扫描电子显微镜相比，一：和扫描电子显微镜相比，AFM的缺点在于成像范围太小的缺点在于成像范围太小,速度慢，受速度慢，受 探头的影响太大。探头的影响太大。三、三、 AFM假象（常见问题）假象（常见问题） 在所有显微学技术中，在所有显微学技术中，AFM图像的解图像的解释相对来说是容易的。光学显微镜和电子释相对来说是容易的。光学显微镜和电子显微镜成像都受电磁衍射的影响，这给它显微镜成像都受电磁衍射的影响，这给它们辨别三维结构带来困难。们辨别三维结构带来困难。AFM可以弥补可以弥补这些不足，在这些不足，在

15、AFM图像中峰和谷明晰可见。图像中峰和谷明晰可见。AFM的另一优点是光或电对它成像基本没的另一优点是光或电对它成像基本没有影响，有影响，AFM能测得表面的真实形貌。尽能测得表面的真实形貌。尽管管AFM成像简单，但成像简单，但AFM本身也有假象存在。本身也有假象存在。相对来说，相对来说，AFM的假象比较容易验证。下的假象比较容易验证。下面介绍一些假象情况：面介绍一些假象情况： (1)针尖成像：针尖成像：AFM中大多数假象源于针尖成像。如图所中大多数假象源于针尖成像。如图所示，针尖比样品特征尖锐时，样品特征就能很好地显示，针尖比样品特征尖锐时，样品特征就能很好地显现出来。相反，当样品比针尖更尖时，

16、假象就会出现，现出来。相反，当样品比针尖更尖时，假象就会出现，这时成像主要为针尖特征。高表面率的针尖可以减少这时成像主要为针尖特征。高表面率的针尖可以减少这种假象发生。这种假象发生。真实图像真实图像(a)与针尖成像与针尖成像(b)的对比的对比 (2)钝的或污染的针尖产生假象：当针尖污染或有磨钝的或污染的针尖产生假象：当针尖污染或有磨损时，所获图像有时是针尖的磨损形状或污染物的损时，所获图像有时是针尖的磨损形状或污染物的形状。这种假象的特征是整幅图像都有同样的特征。形状。这种假象的特征是整幅图像都有同样的特征。 钝的或污染的针尖产生假象钝的或污染的针尖产生假象(3)双针尖或多针尖假象：这种假象是

17、由于一个探针双针尖或多针尖假象：这种假象是由于一个探针末端带有两个或多个尖点所致。当扫描样品时，末端带有两个或多个尖点所致。当扫描样品时，多个针尖依次扫描样品而得到重复图像。多个针尖依次扫描样品而得到重复图像。 双针尖或多针尖假象双针尖或多针尖假象 (4)样品上污物引起的假象：当样品上的污物与基底吸样品上污物引起的假象：当样品上的污物与基底吸 附不牢时，污物可能被正在扫描的针尖带走。并随附不牢时，污物可能被正在扫描的针尖带走。并随针尖运动，致使大面积图像模糊不清。针尖运动，致使大面积图像模糊不清。 样品上污物引起的假象样品上污物引起的假象样品的要求样品的要求 原子力显微镜研究对象可以是有机固体

18、、聚合物以原子力显微镜研究对象可以是有机固体、聚合物以及生物大分子等，样品的载体选择范围很大，包括云母及生物大分子等，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片、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，主要原因是其非等，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。而抛光硅片最好要用浓硫酸与常平整且容易处理。而抛光硅片最好要用浓硫酸与30%双氧水的双氧水的7 3 混合液在混合液在90 下煮下煮1h 。利用电性能测试。利用电性能测试时需要导电性能良好的载体，如石墨或镀有金属的基片。时需要导电性能良好的载体，如石墨或镀有金属的基片。 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。如果试样过重，有时会影响扫描仪的动作，不要放过重如果试样过重，有时会影响扫描仪的动作，不要放过重的试样。试样的大小以不大于试样台的大小（直