原子力顯微鏡Atomicforcemicroscopy，AFM王景風原子力顯微鏡王景風目錄

1.

概述

2.

AFM的工作原理及工作模式3.

應用及實例解釋目錄1.概述1.概述

顯微技術是人們認識材料微觀結構的重要途徑，其發(fā)展歷程是從光學顯微鏡——電子顯微鏡——掃描探針技術。這也使得人們對于微觀世界的認識越來越深入，從微米級、亞微米級發(fā)展到納米級乃至原子級分辨率。原子力顯微鏡（atomicforcemicroscopy，AFM）就是近代發(fā)展起來的掃描探針顯微鏡(scanningprobemicroscopy，SPM)家族中應用最為廣泛的一員。

1.1

掃描探針顯微鏡1.概述顯微技術是人們認識材料微觀結構的重要途掃描探針顯微鏡(SPM)：使用一個尖銳的探針在樣品表面掃描，在掃描過程中記錄探針與樣品的相互作用，從而得到樣品的表面信息。成像原理適用樣品分辨率掃描隧道顯微鏡Scanningtunnelingmicroscope,STM隧道電流導體或半導體材料橫向分辨率0.1nm;垂直方向分辨率0.01nm原子力顯微鏡Atomicforcemicroscopy，AFM針尖與試樣之間的相互作用力導體、半導體、絕緣材料橫向分辨率納米級；垂直方向分辨率0.1nm表1.1STM與AFM的比較掃描探針顯微鏡(SPM)：成像原理適用樣品分辨率掃描隧道顯指標AFMTEMSEM空間分辨率原子級0.1nm點分辨率0.3~0.5nm3~6nm試樣環(huán)境大氣環(huán)境、液相、真空高真空高真空圖像形式二維、三維圖像二維圖像二維圖像試樣損傷幾乎無對電子束敏感物質有損傷對電子束敏感物質有損傷力學性質局部微區(qū)力學性能無無表1.2AFM、TEM和SEM的主要性能指標指標AFMTEMSEM空間分辨率原子級0.1nm點分辨率0

1.2AFM主要功能高空間分辨率描述物質表面微觀結構；能夠用于表征固體物質表面局部微小區(qū)域的力學和物理性質，例如定量測定粗糙度、彈性模量、硬度、黏彈性質等；

原子分子搬遷，應用AFM針尖在納米尺寸對材料表面作微機械加工、表面改性或改變大分子取向和信息技術中的高密度存儲技術等。1.2AFM主要功能高空間分辨率描述物質表面微觀結2.AFM的工作原理及工作模式2.1AFM的結構和工作原理圖2.1AFM的結構和原理簡圖作用力F與形變△z之間的關系：F=k·△zk:微懸臂的彈性常數(shù)△z：微懸臂發(fā)生的微小彈性變形2.AFM的工作原理及工作模式2.1AFM的結構和工作微懸臂微小形變的大小的檢測方法有：光學檢測法電容檢測法壓敏電阻檢測法等圖2.2

光束偏轉檢測型AFM儀器結構與工作原理簡圖微懸臂微小形變的大小的檢測方法有：圖2.2光束偏轉檢測型A2.2AFM的工作模式原子間范德華力圖2.3

各種工作模式在針尖-試樣力曲線中所處的范圍2.2AFM的工作模式原子間范德華力圖2.3各種工作模2.2.1接觸模式圖2.4

接觸模式工作原理探針接觸樣品表面，發(fā)生形變，向上彎曲；接收器Up-Down信號發(fā)生改變；反饋系統(tǒng)通過Vz控制掃描器的伸縮，使Up-Down信號維持恒定；記錄在每個掃描點(x,y)的伸縮電壓V(x,y)；通過V(x,y)，即可計算出樣品的表面形貌T(x,y)；2.2.1接觸模式圖2.4接觸模式工作原理探針接觸樣a.高度像b.偏差像成像信號是針尖-試樣的真實垂直方向力與操作者選定力大小之間的差值。ab圖2.5Si片ALD100nmZnO的AFM圖。a.

高度像；b.偏差像a.高度像b.偏差像成像信號是針尖-試樣的真實垂c.側向力像圖2.6接觸模式測定懸臂扭轉的示意圖它反映了試樣個局部區(qū)域不同的力學和粘結性質，因而可以表征試樣各區(qū)域的不同組分。圖2.7云母片上相分離磷脂-蛋白質層的高度像（a）和側向力像（b）c.側向力像圖2.6接觸模式測定懸臂扭轉的示意圖2.2.2輕敲模式系統(tǒng)產(chǎn)生振動信號，使其處于共振狀態(tài)而上下振蕩；探針逼近樣品后，樣品表面起伏引起振幅發(fā)生變化；反饋系統(tǒng)通過Vz控制掃描器的伸縮，使振幅信號維持恒定；記錄在每個掃描點(x,y)的伸縮電壓V(x,y)；通過V(x,y)，即可計算出樣品的表面形貌T(x,y)；圖2.8輕敲模式原理圖2.2.2輕敲模式系統(tǒng)產(chǎn)生振動信號，使其處于共振狀態(tài)而a.高度像b.相位像圖2.7相位成像原理示意圖其是通過檢測驅動微懸臂振動的信號與微懸臂實際振動的相位角之差的變化來成像。a.高度像b.相位像圖2.7相位成像原理示意圖(a)(b)圖2.8一種有機薄膜的高度像（a）與相位像（b）相位像對不同顆粒及其邊界具有更強的反差，并可在納米尺度上提供試樣表面組分、摩擦、黏彈性及其他性質的分析。(a)(b)圖2.8一種有機薄膜的高度像（a）與相位像（接觸模式輕敲模式掃描速度可以達到更高的掃描速度較低橫向剪切力有無樣品表面水層對掃描的影響有小針尖力大小5~500nN0.1~1nN軟樣品不適用√吸附樣品不適用√表面不穩(wěn)定的樣品不適用√表2.1

接觸模式與輕敲模式的比較接觸模式輕敲模式掃描速度可以達到更高的掃描速度較低橫向剪切力2.2.3非接觸模式這種模式控制在試樣表面上方5~20nm距離處掃描，利用針尖-試樣之間的相互微弱的長程力（范德華吸引力）引起微懸臂固有振動頻率峰值的偏移，以此為回饋信號成像。然而，這種模式下：需要高靈敏度的探針；得到的圖像分辨率低；

針尖也容易被表面吸附氣體的表面壓吸附到試樣表面，引起圖像數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定和對試樣的損傷。2.2.3非接觸模式這種模式控制在試樣表面上3.應用及實例解釋（1）高度分析圖3.1石墨烯片的AFM圖，片層厚度0.975nm3.應用及實例解釋（1）高度分析圖3.1石墨烯片的AF（2）粒徑（分布）分析圖3.2CNT生長基底的AFM圖。a.高度像；b.相位像；c.粒度分析報告，平均粒度大小為27.98nmbac（2）粒徑（分布）分析圖3.2CNT生長基底的AFM圖。（3）粗糙度分析圖3.3ZnO薄膜的粗糙度分析報告

（3）粗糙度分析圖3.3ZnO薄膜的粗糙度分析報告系統(tǒng)可以對圖像進行自相關分析。相關運算用于比較兩個圖像的相似程度。自相關分析常用于分析帶有周期性結構的圖像，可以幫助尋找圖像中的重復性結構。（4）自相關分析ab圖3.4某周期性結構表面的圖像（a）和經(jīng)自相關分析后的圖像（b）系統(tǒng)可以對圖像進行自相關分析。相關運算用于比較兩圖3.5原位AFM研究的拉抻臺裝置（a）和試樣位置（b）（5）原位AFM的研究圖3.5原位AFM研究的拉抻臺裝置（a）和試樣位置（b）（6）針尖增強拉曼圖3.6針尖增強拉曼原理圖（6）針尖增強拉曼圖3.6針尖增強拉曼原理圖

受樣品因素限制較大（不可避免）針尖易磨鈍&受污染（磨損無法修復；污染清洗困難）針尖—樣品間作用力較小AFM的缺點受樣品因素限制較大（不可避免）AFM的缺點謝謝！TheEnd謝謝！TheEnd原子力顯微鏡Atomicforcemicroscopy，AFM王景風原子力顯微鏡王景風目錄

1.

概述

2.

AFM的工作原理及工作模式3.

應用及實例解釋目錄1.概述1.概述

顯微技術是人們認識材料微觀結構的重要途徑，其發(fā)展歷程是從光學顯微鏡——電子顯微鏡——掃描探針技術。這也使得人們對于微觀世界的認識越來越深入，從微米級、亞微米級發(fā)展到納米級乃至原子級分辨率。原子力顯微鏡（atomicforcemicroscopy，AFM）就是近代發(fā)展起來的掃描探針顯微鏡(scanningprobemicroscopy，SPM)家族中應用最為廣泛的一員。

1.1

掃描探針顯微鏡1.概述顯微技術是人們認識材料微觀結構的重要途掃描探針顯微鏡(SPM)：使用一個尖銳的探針在樣品表面掃描，在掃描過程中記錄探針與樣品的相互作用，從而得到樣品的表面信息。成像原理適用樣品分辨率掃描隧道顯微鏡Scanningtunnelingmicroscope,STM隧道電流導體或半導體材料橫向分辨率0.1nm;垂直方向分辨率0.01nm原子力顯微鏡Atomicforcemicroscopy，AFM針尖與試樣之間的相互作用力導體、半導體、絕緣材料橫向分辨率納米級；垂直方向分辨率0.1nm表1.1STM與AFM的比較掃描探針顯微鏡(SPM)：成像原理適用樣品分辨率掃描隧道顯指標AFMTEMSEM空間分辨率原子級0.1nm點分辨率0.3~0.5nm3~6nm試樣環(huán)境大氣環(huán)境、液相、真空高真空高真空圖像形式二維、三維圖像二維圖像二維圖像試樣損傷幾乎無對電子束敏感物質有損傷對電子束敏感物質有損傷力學性質局部微區(qū)力學性能無無表1.2AFM、TEM和SEM的主要性能指標指標AFMTEMSEM空間分辨率原子級0.1nm點分辨率0

1.2AFM主要功能高空間分辨率描述物質表面微觀結構；能夠用于表征固體物質表面局部微小區(qū)域的力學和物理性質，例如定量測定粗糙度、彈性模量、硬度、黏彈性質等；

原子分子搬遷，應用AFM針尖在納米尺寸對材料表面作微機械加工、表面改性或改變大分子取向和信息技術中的高密度存儲技術等。1.2AFM主要功能高空間分辨率描述物質表面微觀結2.AFM的工作原理及工作模式2.1AFM的結構和工作原理圖2.1AFM的結構和原理簡圖作用力F與形變△z之間的關系：F=k·△zk:微懸臂的彈性常數(shù)△z：微懸臂發(fā)生的微小彈性變形2.AFM的工作原理及工作模式2.1AFM的結構和工作微懸臂微小形變的大小的檢測方法有：光學檢測法電容檢測法壓敏電阻檢測法等圖2.2

光束偏轉檢測型AFM儀器結構與工作原理簡圖微懸臂微小形變的大小的檢測方法有：圖2.2光束偏轉檢測型A2.2AFM的工作模式原子間范德華力圖2.3

各種工作模式在針尖-試樣力曲線中所處的范圍2.2AFM的工作模式原子間范德華力圖2.3各種工作模2.2.1接觸模式圖2.4

接觸模式工作原理探針接觸樣品表面，發(fā)生形變，向上彎曲；接收器Up-Down信號發(fā)生改變；反饋系統(tǒng)通過Vz控制掃描器的伸縮，使Up-Down信號維持恒定；記錄在每個掃描點(x,y)的伸縮電壓V(x,y)；通過V(x,y)，即可計算出樣品的表面形貌T(x,y)；2.2.1接觸模式圖2.4接觸模式工作原理探針接觸樣a.高度像b.偏差像成像信號是針尖-試樣的真實垂直方向力與操作者選定力大小之間的差值。ab圖2.5Si片ALD100nmZnO的AFM圖。a.

高度像；b.偏差像a.高度像b.偏差像成像信號是針尖-試樣的真實垂c.側向力像圖2.6接觸模式測定懸臂扭轉的示意圖它反映了試樣個局部區(qū)域不同的力學和粘結性質，因而可以表征試樣各區(qū)域的不同組分。圖2.7云母片上相分離磷脂-蛋白質層的高度像（a）和側向力像（b）c.側向力像圖2.6接觸模式測定懸臂扭轉的示意圖2.2.2輕敲模式系統(tǒng)產(chǎn)生振動信號，使其處于共振狀態(tài)而上下振蕩；探針逼近樣品后，樣品表面起伏引起振幅發(fā)生變化；反饋系統(tǒng)通過Vz控制掃描器的伸縮，使振幅信號維持恒定；記錄在每個掃描點(x,y)的伸縮電壓V(x,y)；通過V(x,y)，即可計算出樣品的表面形貌T(x,y)；圖2.8輕敲模式原理圖2.2.2輕敲模式系統(tǒng)產(chǎn)生振動信號，使其處于共振狀態(tài)而a.高度像b.相位像圖2.7相位成像原理示意圖其是通過檢測驅動微懸臂振動的信號與微懸臂實際振動的相位角之差的變化來成像。a.高度像b.相位像圖2.7相位成像原理示意圖(a)(b)圖2.8一種有機薄膜的高度像（a）與相位像（b）相位像對不同顆粒及其邊界具有更強的反差，并可在納米尺度上提供試樣表面組分、摩擦、黏彈性及其他性質的分析。(a)(b)圖2.8一種有機薄膜的高度像（a）與相位像（接觸模式輕敲模式掃描速度可以達到更高的掃描速度較低橫向剪切力有無樣品表面水層對掃描的影響有小針尖力大小5~500nN0.1~1nN軟樣品不適用√吸附樣品不適用√表面不穩(wěn)定的樣品不適用√表2.1

接觸模式與輕敲模式的比較接觸模式輕敲模式掃描速度可以達到更高的掃描速度較低橫向剪切力2.2.3非接觸模式這種模式控制在試樣表面上方5~20nm距離處掃描，利用針尖-試樣之間的相互微弱的長程力（范德華吸引力）引起微懸臂固有振動頻率峰值的偏移，以此為回饋信號成像。然而，這種模式下：需要高靈敏度的探針；得到的圖像分辨率低；

針尖也容易被表面吸附氣體的表面壓吸附到試樣表面，引起圖像數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定和對試樣的損傷。2.2.3非接觸模式這種模式控制在試