扫描探针显微技术之二-原子力显微镜(AFM)技术课件

原子力显微镜

AtomicForceMicroscopy扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术主要内容发展历史基本原理应用扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术scanningtunnelingMicroscopy(STM，1982)Atomicforcemicroscopy(AFM)LateralForceMicroscopy(LFM)MagneticForceMicroscopy(MFM)ElectrostaticForceMicroscopy(EFM)ChemicalForceMicroscopy(CFM)NearFieldScanningOpticalMicroscopy(NSOM)扫描探针显微镜SPM

SPM是指在STM基础上发展起来的一大类显微镜，通过探测极小探针与表面之间的物理作用量如光、电、磁、力等的大小而获得表面信息。扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术

1986，IBM，葛·宾尼（G.Binnig）发明了原子力显微镜(AtomicForceMicroscope,AFM)——新一代表面观测仪器．原理：利用原子之间的范德华力（VanDerWaalsForce）作用来呈现样品的表面特性基本原理扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术基本原理原子间的作用力吸引部分排斥部分Fpaird原子原子排斥力原子原子吸引力扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术samplescannercantileverphotodetectorlaserdiode微悬臂激光二极管光电检测器扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术基本原理扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术AFM信号反馈模式基本原理扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术微悬臂位移量的检测方式扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术力检测部分光学检测部分反馈电子系统压电扫描系统计算机控制系统仪器构成扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术接触模式(contactmode)非接触模式(non-contactmode)轻敲模式(tapping/intermittentcontactmode)

vanderWaalsforcecurve工作模式扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术针尖始终向样品接触并简单地在表面上移动，针尖—样品间的相互作用力是互相接触原于的电子间存在的库仑排斥力，其大小通常为10－8

—10－11N。vanderWaalsforcecurve工作模式-接触模式d＜０.０３nm扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术优点：可产生稳定、高分辨图像。缺点：可能使样品产生相当大的变形，对柔软的样品造成破坏，以及破坏探针，严重影响AFM成像质量。工作模式-接触模式扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术相互作用力是范德华吸引力，远小于排斥力.

vanderWaalsforcecurved:5~20nm振幅：2nm～5nm工作模式-非接触模式范德华吸引力微悬臂以共振频率振荡，通过控制微悬臂振幅恒定来获得样品表面信息的。

扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术优点：对样品无损伤

缺点：

1）分辨率要比接触式的低。2）气体的表面压吸附到样品表面，造成图像数据不稳定和对样品的破坏。

工作模式-非接触模式扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术介于接触模式和非接触模式之间:

其特点是扫描过程中微悬臂也是振荡的并具有比非接触模式更大的振幅(5~100nm)，针尖在振荡时间断地与样品接触。

vanderWaalsforcecurve振幅：5nm～100nm工作模式-轻敲模式扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术特点：

1）分辨率几乎同接触模式一样好；

2）接触非常短暂，因此剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失；工作模式-轻敲模式扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术工作模式-轻敲模式扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术相位成像(phaseimaging)技术通过轻敲模式扫描过程中振动微悬臂的相位变化来检测表面组分,粘附性,摩擦,粘弹性和其他性质的变化.扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术基本原理扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术基本原理扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术原子力显微镜之解析度基本原理扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术基本原理扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术基本原理扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术氮化硅探针针尖放大图基本原理扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术为克服“加宽效应”：一方面可发展制造尖端更尖的探针技术，另一方面对标准探针进行修饰也可提高图像质量。

针尖技术单碳纳米壁管直径0.7～5nm基本原理扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术AFM技术的主要特点:优点:制样相对简单,多数情况下对样品不破坏.具有高分辨率，三维立体的成像能力，可同时得到尽可能多的信息.操作简单,对附属设备要求低.缺点:对试样仍有较高要求,特别是平整度.实验结果对针尖有较高的依赖性(针尖效应).仍然属于表面表征技术,需和其他测试手段结合.扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术主要内容发展历史工作原理应用扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术原子力显微镜的应用金属半导体材料化学纳米材料生命科学微加工技术……扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术用AFM观察DNA双螺旋结构生物和生命科学扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术用AFM观察细胞生长生物和生命科学扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术用AFM观察集成电路的线路刻蚀情况微电子科学和技术扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术高分子领域的应用扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术聚合物膜表面形貌与相分离观察Kajiyama等人应用AFM研究了单分散聚苯乙烯(PS)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混成膜的相分离情况。膜较厚时(25μｍ),看不到分相。膜厚100nｍ时,可以得到PMMA呈岛状分布在PS中的AFM图象。扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术聚合物膜表面形貌与相分离观察对非晶态聚合物膜,形貌图信息较为有限。AFM“相成像”方式(phaseimaging)得到的数据与样品表面硬度和粘弹性有关，可以观察相分离．即使在样品表面相对“平坦”的情况下,也能较好地反映出聚合物的相分离后,不同类型聚合物的所在区域。扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术高分子结晶形态观察扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物的苯溶液在ＬＢ膜槽内分散,而后在极低的表面压下(<0.1ｍＮ/ｍ)将分子沉积在新鲜云母表面。非晶态单链高分子结构观察扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术AFM在聚合物膜研究中的应用1表面整体形态研究2孔径(分布),粒度（分布）研究3粗糙度研究扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术1表面整体形态研究扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术2孔径(分布),粒度（分布）研究扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术SectionanalysisofTM-AFMimage.扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术Tappingmodeatomicforcemicrographs扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术3粗糙度研究粗糙度（Surfaceroughness）表示膜表面形态间的差异，影响着膜的物理和化学性能、膜表面的污染程度和膜的水通量。扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术

膜污染研究-超滤膜或微滤膜新膜表面三维图X—1μm/格;Z—50nm/格污染膜表面三维图X—1μm/格;Z—2000nm/格扫描探针显微技术之