1、原子力显微镜原子力显微镜Atomic force microscopy， AFM王王 景景 风风目目 录录 1. 概述概述 2. AFM的工作的工作原理及工作模式原理及工作模式 3. 应用及实例解释应用及实例解释1. 概概 述述 显微技术是人们认识材料微观结构的重要途径，显微技术是人们认识材料微观结构的重要途径，其发展历程是从其发展历程是从光学显微镜光学显微镜电子显微镜电子显微镜扫扫描探针技术描探针技术。这也使得人们对于微观世界的认识越。这也使得人们对于微观世界的认识越来越深入，从微米级、亚微米级发展到纳米级乃至来越深入，从微米级、亚微米级发展到纳米级乃至原子级分辨率。原子级分辨率。 原子力显
2、微镜（原子力显微镜（atomic force microscopy，AFM）就是近代发展起来的扫描探针显微镜就是近代发展起来的扫描探针显微镜( (scanning probe microscopy，SPM) )家族中应用最为广泛的一家族中应用最为广泛的一员。员。 1.1 扫描探针显微镜扫描探针显微镜扫描探针显微镜扫描探针显微镜 (SPM) (SPM)： 使用一个尖锐的探针在样品表面扫描，在扫描过程中记录探针与样品的相互作用，从而得到样品的表面信息。成像原理成像原理适用样品适用样品分辨率分辨率扫描隧道显微镜Scanning tunneling microscope, STM隧道电流导体或半导体材
3、料横向分辨率0.1nm;垂直方向分辨率0.01nm原子力显微镜Atomic force microscopy，AFM针尖与试样之间的相互作用力导体、半导体、绝缘材料横向分辨率纳米级；垂直方向分辨率0.1nm表1.1 STM与AFM的比较指指 标标AFMTEMSEM空间分辨率原子级0.1nm点分辨率0.30.5nm36nm试样环境大气环境、液相、真空高真空高真空图像形式二维、三维图像二维图像二维图像试样损伤几乎无对电子束敏感物质有损伤对电子束敏感物质有损伤力学性质局部微区力学性能无无表表1.2 AFM、TEM和和SEM的主要性能指标的主要性能指标 1.2 AFM主要功能主要功能 高空间分辨率描述
4、物质表面微观结构；高空间分辨率描述物质表面微观结构； 能够用于表征固体物质表面局部微小区域的力学能够用于表征固体物质表面局部微小区域的力学和物理性质，例如定量测定粗糙度、弹性模量、硬和物理性质，例如定量测定粗糙度、弹性模量、硬度、黏弹性质等；度、黏弹性质等； 原子分子搬迁，应用原子分子搬迁，应用AFM针尖在纳米尺寸对材针尖在纳米尺寸对材料表面作微机械加工、表面改性或改变大分子取向料表面作微机械加工、表面改性或改变大分子取向和信息技术中的高密度存储技术等。和信息技术中的高密度存储技术等。2. AFM的工作原理及工作模式的工作原理及工作模式2.1 AFM的结构和工作原理的结构和工作原理图图2.1
5、AFM的结构和原理简图的结构和原理简图作用力作用力F与形变与形变z之之间的关系：间的关系：F=k zk: 微悬臂的弹性常数微悬臂的弹性常数z：微悬臂发生的微：微悬臂发生的微小弹性变形小弹性变形微悬臂微小形变的大小的检测方法有：微悬臂微小形变的大小的检测方法有： 光学检测法光学检测法 电容检测法电容检测法 压敏电阻检测法等压敏电阻检测法等图图2.2 光束偏转检测型光束偏转检测型AFM仪器结构仪器结构与工作原理简图与工作原理简图2.2 AFM的工作模式的工作模式原子间范德华力图2.3 各种工作模式在针尖-试样力曲线中所处的范围2.2.1 接触模式接触模式图图2.4 接触模式工作原理接触模式工作原理
6、 探针接触样品表面，发生形变，探针接触样品表面，发生形变，向上弯曲；向上弯曲； 接收器接收器Up-Down信号发生改变；信号发生改变； 反馈系统通过反馈系统通过Vz控制扫描器的伸控制扫描器的伸缩，使缩，使Up-Down信号维持恒定；信号维持恒定； 记录在每个扫描点记录在每个扫描点(x,y) 的伸缩的伸缩电压电压V(x,y)； 通过通过V(x,y)，即可计算出样品的，即可计算出样品的表面形貌表面形貌T(x,y)；a. 高度像高度像b. 偏差像偏差像 成像信号是针尖-试样的真实垂直方向力与操作者选定力大小之间的差值。ab图2.5 Si片ALD 100nm ZnO的AFM图。a. 高度像；b. 偏差
7、像c. 侧向力像侧向力像图2.6 接触模式测定悬臂扭转的示意图 它反映了试样个局部区域不同的力学和粘结性质，因而可以表征试样各区域的不同组分。图2.7 云母片上相分离磷脂-蛋白质层的高度像（a）和侧向力像（b） 2.2.2 轻敲模式轻敲模式 系统产生振动信号，使其处于共振系统产生振动信号，使其处于共振状态而上下振荡；状态而上下振荡； 探针逼近样品后，样品表面起伏引探针逼近样品后，样品表面起伏引起振幅发生变化；起振幅发生变化； 反馈系统通过反馈系统通过Vz控制扫描器的伸缩，控制扫描器的伸缩，使振幅信号维持恒定；使振幅信号维持恒定； 记录在每个扫描点记录在每个扫描点(x,y) 的伸缩电压的伸缩电压
8、V(x,y)； 通过通过V(x,y)，即可计算出样品的表，即可计算出样品的表面形貌面形貌T(x,y)；图2.8 轻敲模式原理图a. 高度像b. 相位像图2.7 相位成像原理示意图 其是通过检测驱动微悬臂其是通过检测驱动微悬臂振动的信号与微悬臂实际振振动的信号与微悬臂实际振动的相位角之差的变化来成动的相位角之差的变化来成像。像。(a)(b)图2.8 一种有机薄膜的高度像（a）与相位像（b） 相位像对不同颗粒及其边界具有更强的反差，并可在纳相位像对不同颗粒及其边界具有更强的反差，并可在纳米尺度上提供试样表面组分、摩擦、黏弹性及其他性质的米尺度上提供试样表面组分、摩擦、黏弹性及其他性质的分析。分析。
9、接触模式接触模式轻敲模式轻敲模式扫描速度可以达到更高的扫描速度较低横向剪切力有无样品表面水层对扫描的影响有小针尖力大小5500nN0.11nN软样品不适用吸附样品不适用表面不稳定的样品不适用表2.1 接触模式与轻敲模式的比较 2.2.3 非接触模式非接触模式 这种模式控制在试样表面这种模式控制在试样表面上方上方520nm距离处距离处扫扫描，利用针尖描，利用针尖-试样之间的相互微弱的试样之间的相互微弱的长程力长程力（范德（范德华吸引力）引起微悬臂固有振动频率峰值的偏移，华吸引力）引起微悬臂固有振动频率峰值的偏移，以此为回馈信号成像。以此为回馈信号成像。然而，这种模式下：然而，这种模式下： 需要高
10、灵敏度的探针；需要高灵敏度的探针； 得到的图像分辨率低；得到的图像分辨率低； 针尖也容易被表面吸附气体的表面压吸附到试样针尖也容易被表面吸附气体的表面压吸附到试样表面，引起图像数据的不稳定和对试样的损伤。表面，引起图像数据的不稳定和对试样的损伤。3. 应用及实例解释应用及实例解释（1）高度分析）高度分析图3.1 石墨烯片的AFM图，片层厚度0.975nm（2）粒径（分布）分析）粒径（分布）分析图3.2 CNT生长基底的AFM图。a. 高度像；b. 相位像；c. 粒度分析报告，平均粒度大小为27.98nmbac（3）粗糙度分析）粗糙度分析图3.3 ZnO薄膜的粗糙度分析报告 系统可以对图像进行自相关分析。 相关运算用于比较两个图像的相似程度。自相关分析常用于分析带有周期性结构的图像，可以帮助寻找图像中的重复性结构。（4）自相关分析）自相关分析ab图3.4 某周期性结构表面的图像（a）和经自相关分析后的图像（b）图3.5 原位AFM研究的拉抻台装置（a）和试样位置（b）（5）原位）原位AFM的研究的研究（6）针尖增强拉曼）针尖增强拉曼图3.6 针尖增强拉曼原理图AFM的缺点
