原子力显微镜
《原子力显微镜》课件
未来发展趋势
未来,原子力显微镜技术将进一步提高分辨率和扫 描速度,并应用于更多领域。
七、参考文献
1 相关学术论文
1. Title 1 2. Title 2 3. Title 3
2 专业书籍
1. Title A 2. Title B 3. Title C
二、工作原理
探针的作用
原子力显微镜使用微小的探针探测物质表面,获得原子级别的高分辨率图像。
检测原理
通过探测器记录探针的弯曲变化,从而推断物体表面的高度和形貌。
显示方法
利用电子信号将探测到的数据转化为高清图像,可实时显示。
三、应用领域
表面形貌和结构分析
原子力显微镜可用于观察材料 表面的形貌和结构,帮助研究 纳米级别的材料。
《原子力显微镜》PPT课 件
本课件将介绍原子力显微镜的工作原理、应用领域和优缺点分析,以及操作 和维护的常见问题解答。
一、前言
什么是原子力显微镜
原子力显微镜是一种高分辨率的显微镜,能够 观测到物质的原子尺度细节。
发展历史
原子力显微镜于1986年由Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明,获得了诺贝尔奖。
原子力显微镜的分辨率可达到纳米级别,扫描范围取决于探针的尺寸和扫描区域。
如何正确操作原子力显微镜
正确操作原子力显微镜需要进行样品制备、参数设置和扫描操作等步骤。
原力显微镜的维护
维护原子力显微镜需要保持清洁,及时更换探针并进行校准。
六、结论
原子力显微镜对科学研究的重要性
原子力显微镜在纳米级别材料研究和生物学研究中 发挥着重要作用。
纳米尺度材料表征
该技术可用于研究纳米颗粒、 纳米管和纳米线等纳米材料的 特性。
原子力显微镜(afm)的基本构成
原子力显微镜(afm)的基本构成原子力显微镜(Atomic Force Microscope,简称AFM)是一种用来观察物质表面形貌的高精密显微镜。
它采用原子力探针技术,可以在几个纳米至几个微米的尺度范围内进行观测,并能提供非常高分辨率的表面形貌信息。
AFM的基本构成包括机械支撑系统、探针系统和控制系统。
下面将分别介绍其构成要素。
1.机械支撑系统:机械支撑系统是AFM的重要组成部分,用于稳定和保持探针与样品之间的相对位置。
它通常由几个关键部件组成:-扫描装置:扫描装置用于水平移动样品或探针,以实现对样品表面的扫描。
扫描装置由X、Y、Z三个方向上的驱动器组成,可实现物理、电机或压电驱动。
-压电陶瓷:压电陶瓷在AFM中用于控制探针的位置和微小位移。
当施加电压时,压电陶瓷会发生形变,从而移动探针的位置。
-悬臂杆:悬臂杆作为一种机械支撑装置,用于支撑和稳定探针的位置。
悬臂杆通常由弹性材料制成,如硅或硅质材料。
2.探针系统:探针系统是AFM的核心部件,用于接触和测量样品表面的形貌。
探针系统通常由两个主要组件组成:-探针:探针是AFM中与样品直接接触并进行测量的部分。
它通常由硅制成,并在其一侧附着探针尖端。
探针尖端具有非常小的尺寸,在几纳米至几十纳米之间。
-接收器:接收器用于接收探针与样品之间的相互作用力。
它通常由光学或电子传感器组成,可测量探针的位移,并将其转换为电信号。
3.控制系统:控制系统用于控制和测量AFM的各种参数,以提供准确的表面形貌信息。
它通常由几个关键组件组成:-仪器控制器:仪器控制器用于控制AFM的各种操作,如扫描速度、力量控制等。
它具有一个用户界面,可以通过操作界面进行参数设置和图像显示。
-数据采集卡:数据采集卡用于接收和记录探针接触样品时的力信号,并将其转换为数字信号。
这些数据可以被后续分析软件用于生成图像和数据处理。
-反馈系统:反馈系统用于监测和控制探针与样品之间的相互作用力。
它通过比较实际测量力和设定的参考力,并调整探针位置和扫描速度,以保持探针与样品之间的相对位置不变。
原子力显微镜
2 3
21
24ຫໍສະໝຸດ R[z2 2
1 30
z
8 8
]
F (z)
F (z) z
3 4
21
2
3
R[
z
3 3
2 15
z
9 9
]
3.4 毛细力和AFM在液体中测量
1. 试件表面旳吸附层
化学吸附
物理吸附
亲水
疏水
2. 毛细力及其对AFM测量旳影响
Fa 2Rh / r
在R = 50~100 nm,相对湿度在40~80% 时,毛细力大约在几十nN数量级。
2. 作用力旳检测模式
1) 恒力测量模式;
2) 测量微悬臂形变量旳测量模式; 3) 恒力梯度测量模式;
4) 力梯度测量模式。
3. AFM检测时旳扫描成像模式
AFM检测试件表面微 观形貌时,目前采用 三种不同旳扫描成像 模式: 1)接触扫描成像模式 (contact mode), 2)非接触扫描成像模 式或抬高扫描成像模 式 (non-contact mode或 lift mode), 3)轻敲扫描成像模式
3)轻敲扫描成像模式
AFM轻敲扫描针尖振荡示意图
3.3 探针与试件间旳作用力
1. 探针与试件间旳多种作用力
1)多种长程力和短程力
作用力
磁力
静电力
长
程
毛细力
力
液固界面力
范德华力
粘附力
短
排斥力
程
弱相互作用力
力 强相互作用力
举例 生物铁磁体 磁畴 针类—试件间电容 玻璃上水膜 针尖和试件间凹面
针尖一试件间(R>>Z) 跳跃接触 针尖试件接触
物理实验技术中原子力显微镜的使用方法详解
物理实验技术中原子力显微镜的使用方法详解原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)是一种基于原子力作用的高分辨率表面成像和测量仪器。
它可以实现对物质表面的高分辨率成像,并且能够进行纳米级的力学性质测量。
本文将详细介绍原子力显微镜的使用方法。
一、原子力显微镜的基本原理和组成原子力显微镜的工作原理是利用一根非常细的探针在样品表面扫描,并测量样品表面与探针之间的力的变化。
通过扫描获得的力的数据可以生成样品表面的三维图像。
原子力显微镜主要由扫描单元、探针、控制系统和数据处理系统四个部分组成。
二、原子力显微镜的操作步骤1. 样品准备:首先需要将待测样品制备成均匀平整的表面。
这通常需要使用微纳米加工技术,如化学气相沉积、溅射沉积或离子束抛光等。
2. 探针安装:将探针固定到扫描单元中。
探针的选择非常重要,需要根据所需实验的具体要求来选择合适的探针。
一般情况下,探针的弹性常数需要在200 N/m到400 N/m之间。
3. 调试参数:在进行实际扫描前,需要根据样品的性质和测量目的来调节扫描参数。
例如,扫描速度、扫描范围、力的设置等。
4. 开始扫描:开启原子力显微镜,将探针移动到样品表面上,并开始扫描。
实际扫描过程中,需要保持探针与样品之间的力稳定,通常采用反馈控制技术来实现。
5. 数据处理:完成扫描后,可以将获得的原子力显微镜数据进行处理和分析。
常见的数据处理方法包括三维重构、高度廓线提取、力谱分析等。
三、原子力显微镜的应用领域原子力显微镜广泛应用于材料科学、生物科学和纳米科学等领域。
在材料科学中,原子力显微镜可以用于研究材料的表面形貌、纳米结构和纳米力学性质。
在生物科学中,原子力显微镜可以用于观察和研究生物大分子的形貌和相互作用力。
在纳米科学中,原子力显微镜可以用于制备和研究纳米器件和纳米材料。
四、原子力显微镜的发展趋势随着技术的不断发展和进步,原子力显微镜的分辨率和功能得到了明显提高。
化学物质的原子力显微镜
化学物质的原子力显微镜原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)是一种能够获得材料表面拓扑结构信息的先进纳米分析仪器。
利用其高分辨率的成像能力,我们可以观察和研究化学物质的微观结构和性质。
本文将介绍原子力显微镜的工作原理、应用领域以及未来的发展趋势。
一、工作原理原子力显微镜是一种基于在原子尺度上感知力的技术。
其工作原理可以简单概括为通过探针与样品表面之间的相互作用来获取样品表面形貌信息。
其关键部件是一个高精度的微悬臂,类似一个弹簧,其尖端装配有一个纳米级的探针。
当探针靠近样品表面时,通过悬臂的微弯变化,可以感知到与样品表面的相互作用力。
通过记录探针与样品的相对位置变化,就可以重构出样品的表面形貌。
二、应用领域1. 材料科学研究:原子力显微镜可以帮助我们观察材料的晶格结构、表面形貌和纳米尺度下的力学性质。
这对于材料研究和新材料的开发具有重要意义。
2. 纳米电子学:原子力显微镜可以在纳米尺度上探测和调控器件的结构和性能。
这对于纳米电子器件的设计和制备具有重要的参考价值。
3. 生物医学领域:原子力显微镜可用于研究生物材料的表面形貌、细胞力学性质和蛋白质折叠状态。
这对于生物医学研究、药物开发和疾病诊断具有重要作用。
三、未来发展趋势1. 高速成像:目前,原子力显微镜的成像速度相对较慢,通常需要几分钟到几小时来获得一张高质量的成像图像。
未来的发展方向是提高成像速度,实现快速、实时的成像。
2. 多模式集成:当前的原子力显微镜通常只能提供一种成像模式,如接触模式或非接触模式。
未来的发展方向是实现多模式集成,使得同一台仪器能够提供多种不同的成像模式。
3. 原位测量:原子力显微镜通常是在大气环境下进行成像,而在许多应用领域,如材料科学和生物医学,所研究的样品往往需要在真空、高温或湿润等特殊环境下进行测量。
未来的发展方向是实现原位测量,使得原子力显微镜能够适应更多的实际应用需求。
结语原子力显微镜作为一种强大的纳米级成像工具,已经在许多领域展现出巨大的潜力。
原子力显微镜的工作原理
原子力显微镜的工作原理原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)是一种高分辨力的显微镜工具,其工作原理是基于扫描探针测量样品表面的物理性质。
与传统的光学显微镜相比,原子力显微镜能够获得更高的空间分辨率,可以观察到原子尺度的表面形貌和力学性质。
一、扫描探针的原理原子力显微镜采用一根非常细的探针来扫描样品表面。
这个探针通常是由硅制成,其尺寸仅为几纳米至十几纳米。
探针的尖端有一个针尖,可以与样品表面产生相互作用。
二、探针与样品表面的相互作用力当探针靠近样品表面时,探针与样品之间会产生相互作用力。
这种相互作用力包括吸引力和排斥力。
吸引力是由于范德华力的作用,而排斥力则源自静电力的作用。
这些作用力与探针与样品间的距离有关。
三、应力传感器原子力显微镜的探针上安装有一个应力传感器。
当探针受到样品表面的作用力时,传感器会感受到这种力的微小变化。
这些变化会转化为电信号,并传输到探针移动部分。
四、反射光束原子力显微镜还配备有一个激光光束,它会照射在探针的背面并反射到光学探测系统中。
激光光束的反射位置与探针的位置密切相关。
五、控制系统控制系统负责探针的移动和扫描样品表面。
它会根据传感器接收到的信号调整探针与样品间的距离,以保持传感器所测得的力保持在一个恒定的数值范围内。
通过控制系统的运行,我们可以获得样品表面的拓扑图像。
六、数据处理和图像重建原子力显微镜测量得到的数据需要进行处理和图像重建,以便于观察和分析。
常用的数据处理方法包括平滑处理、滤波和线性化处理等。
图像的重建通常是通过扫描控制系统采集到的数据进行插值和平均化处理。
七、应用领域原子力显微镜的应用非常广泛。
在物理学领域,它可以用于研究纳米级别的力学性质、磁性和电子性质。
在生物学领域,原子力显微镜可以被用来观察细胞和生物分子的结构,以及研究生物体系的力学性质。
在材料科学和化学领域,原子力显微镜则可以获得材料和化学反应表面的形态和性质。
原子力显微镜
T47D细胞被附着在包被了伴刀豆球蛋白A的微悬臂上
20
4、AFM观察动态生物过程
▪ AFM也是观察细胞生物过程的非常有效的工具。Haeberle 等用AFM记录了单个病毒颗粒从被感染细胞中释放的过程。
▪ Ohnesorge以类似的方法研究了痘病毒和活细胞,得到了 痘病毒感染活细胞全过程的AFM图。通过活着的细胞观察 子代病毒颗粒-并用AFM在水溶液环境中在分子水平分辩 出有规则重复的烙铁状结构(宽7-11nm长60-90nm,和准有 序的环状结构(直径5-10nm)观察中发现在感染前后最初几 小时,细胞并无显著变化;子代病毒粒子沿细胞骨架进入细 胞内部,还发现了胞吐、病毒颗粒聚集等现象。
▪ Protein-protein interactions
▪ Yokokawa M, Wada C, Ando T, et al. Fastscanning atomic force microscopy reveals the ATP/ADP-dependent conformational changes of GroEL. EMBO J 2006;25:4567-76
▪ Thie M, Interactions between trophoblast and uterine epithelium:monitoring of adhesive forces, Hum.Reprod. (1998) 13 (11):3211-3219.
18
3、AFM检测活细胞间相互作用
原子力显微镜(AFM)
1
目录
▪ AFM的成像原理 ▪ AFM用于生命科学的优势与特点 ▪ AFM在细胞生物学中的应用 ▪ AFM存在的问题 ▪ AFM最近的研究进展 ▪ 总结与展望
原子力显微镜
原子力显微镜原子力显微镜(Atomic Force Microscope,简称AFM)是一种高分辨率的显微镜技术,通过探针与样品表面的相互作用,可以获取纳米级的表面形貌和力学性质信息。
本文将介绍原子力显微镜的原理、应用以及未来的发展前景。
一、原理原子力显微镜的工作原理基于触针与样品表面的相互作用力,通过探测器对这种相互作用力进行检测和测量。
主要包括力探头、支撑结构、扫描部件、力传感器等多个部分。
当力探头接近样品表面时,表面原子与力探头上的原子之间会发生排斥或吸引的作用力,力探头被弯曲,力的大小和方向与样品表面的形貌和力学性质有关,通过探测器的测量,可以得到样品表面精细的拓扑信息。
二、应用领域原子力显微镜在材料科学、生物科学、纳米技术等领域有着广泛的应用。
1. 材料科学原子力显微镜可以用于材料的表面结构和形貌研究。
通过观察样品表面的凹凸不平、纳米级的颗粒分布等可以得到材料的表面形貌信息。
同时,还可以通过测量样品表面的硬度和弹性模量来评估材料的力学性质。
2. 生物科学生物领域中,原子力显微镜可以用于观察和研究生物分子的结构和相互作用。
通过将生物样品固定在一个稳定的平台上,可以观察到生物分子的三维结构,从而研究其功能和性质。
此外,原子力显微镜还可以用于细胞力学性质的研究,例如细胞的刚度、粘附性等。
3. 纳米技术在纳米技术领域,原子力显微镜扮演着重要的角色。
可以利用原子力显微镜来观察纳米颗粒的形貌、尺寸和分布,对纳米结构进行表征和分析。
此外,原子力显微镜还可以用于纳米加工、纳米操纵等方面的研究。
三、未来发展前景原子力显微镜作为一种重要的纳米级表征工具,其发展前景非常广阔。
1. 提高分辨率随着技术的不断发展,原子力显微镜的分辨率得到了大幅度的提高。
未来,我们可以预期原子力显微镜的分辨率将越来越高,可以观察到更加微小的结构和表面特征。
2. 多种模式的结合目前已经存在多种不同的原子力显微镜工作模式,例如接触模式、非接触模式、谐振模式等。
原子力显微镜
,Vol . 45 No.4,Apr. 2009
原子力显微镜的结构与原理
工作模式
接触 模式
利用原子斥力的变化产生表面轮生表面轮廓, 模式 探针与样品的距离约数十埃到数百埃
敲击 模式
悬臂在试样表面上方以其共振频率振 荡,针尖周期性地短暂地接触/ 敲击 样品表面
扫描运动方向和数据点的采集
原子力显微镜三维精确测量
原子力显微镜原理与应用技术,现代仪器 原子力显微镜与表面形貌观察,广西物理,Vol . 28 No. 2 2007 气/液两用型原子力显微镜及其应用研究,光学仪器,Vol. 30 , No. 5,
2008 喇曼一原子力显微镜的研究进展,红外,Vol. 30 , No. 5,2009 基于原子力显微镜的四电极微探针局域电导率测量技术,机械工程学报
Atomic force microscope for accurate dimensional metrology,A.D. Mazzeo et al. / Precision Engineering 33 (2009) 135–149
EC-AFM investigation of reversible volume changes with electrode potential in polyaniline,P.R. Singh et al. / Journal of Electroanalytical Chemistry 625 (2009) 16–26
牛津仪器原子力显微镜中文说明书
牛津仪器原子力显微镜中文说明书第一章:概述牛津仪器原子力显微镜(Atomic Force Microscope,简称AFM)是一种高分辨率的显微镜,它利用原子力和距离探测技术,能够对样品表面进行高精度的成像和测量。
AFM不同于传统的光学显微镜,它可以在纳米尺度下观察和研究样品的表面形貌和物理性质。
第二章:原理AFM的工作原理基于原子力相互作用和力探测技术。
通过将探针靠近样品表面,并测量探针与样品之间的相互作用力,可以得到样品表面的拓扑图像。
AFM的探测器通常采用悬臂梁或压电晶体,通过探针的弯曲或振动来检测相互作用力的变化。
第三章:仪器结构AFM主要由扫描单元、探针、力传感器、控制电路和图像处理系统等组成。
扫描单元负责探针在样品表面的扫描运动,探针则负责与样品表面相互作用。
力传感器用于测量探针与样品之间的相互作用力,控制电路则负责对传感器信号进行处理和控制。
图像处理系统用于将探测到的信号转化为样品表面的图像。
第四章:操作流程使用AFM时,首先需要将样品固定在扫描平台上,并调整扫描范围和扫描速度。
接下来,调节探针使其与样品表面接触,并通过力传感器调整扫描力。
随后,启动扫描单元,开始对样品表面进行扫描。
扫描完成后,通过图像处理系统可以获得样品表面的拓扑图像。
第五章:应用领域AFM广泛应用于纳米科学、材料科学、生物科学等领域。
在纳米科学中,AFM可以用于研究纳米材料的形貌和性质,如纳米颗粒、纳米管等。
在材料科学中,AFM可以用于表征材料的表面粗糙度、硬度等参数。
在生物科学中,AFM可以用于观察生物分子的结构和相互作用。
第六章:技术发展趋势随着纳米科学和纳米技术的发展,AFM也在不断演进和改进。
目前,已经出现了多种改进型AFM,如近场原子力显微镜(SNOM)和电势原子力显微镜(EFM)。
这些改进型AFM在分辨率、成像速度和功能方面都有所提升,进一步拓宽了AFM的应用范围。
结论牛津仪器原子力显微镜是一种高分辨率的显微镜,通过原子力相互作用和距离探测技术,可以对样品表面进行高精度的成像和测量。
第五章原子力显微镜ppt课件
2 探针 ❖ 探针是AFM检测系统的关键部分.它由悬臂和
悬臂末端的针尖组成.随着精细加工技术的发展, 人们已经能制造出各种形状和特殊要求的探针。 悬臂是由Si或Si3N4经光刻技术加工而成的.悬臂 的背面镀有一层金属以达到镜面反射。在接触式 AFM中V形悬臂是常见的一种类型(如图3.2所 示).
病原体侵入机体,消弱机体防御机能 ,破坏 机体内 环境的 相对稳 定性, 且在一 定部位 生长繁 殖,引 起不同 程度的 病理生 理过程
❖ 它的优点是具有低的垂直反 射机械力阻和高的侧向扭曲 机械力阻.悬臂的弹性系数 一般低于固体原于的弹性系 数, 悬臂的弹性常数与形状、 大小和材料有关.厚而短的 悬臂具有硬度大和振动频率 高的特点.
四、 原子力显微镜工作环境 病原体侵入机体,消弱机体防御机能,破坏机体内环境的相对稳定性,且在一定部位生长繁殖,引起不同程度的病理生理过程
原子力显微镜受工作环境限制较少,它可以在超高真空、气 相、液相和电化学的环境下操作。 (1)真空环境:最早的扫描隧道显微镜(STM)研究是在超高真空下进 行操作的。后来,随着AFM的出现,人们开始使用真空AFM研 究固体表面.真空AFM避免了大气中杂质和水膜的干扰,但其 操作较复杂。 (2)气相环境:在气相环境中,AFM操作比较容易,它是广泛采用 的一种工作环境.因AFM操作不受样品导电性的限制,它可以 在空气中研究任何固体表面,气相环境中AFM多受样品表面水 膜干扰。 (3)液相环境:在液相环境中.AFM是把探针和样品放在液池中工 作,它可以在液相中研究样品的形貌.液相中AFM消除了针尖 和样品之间的毛细现象,因此减少了针尖对样品的总作用 力.液相AFM的应用十分广阔,它包括生物体系、腐蚀或任一 液固界面的研究. (4)电化学环境:正如超高真空系统一样,电化学系统为AFM提供 了另一种控制环境.电化学AFM是在原有AFM基础上添加了电 解池、双恒电位仪和相应的应用软件.电化学AFM可以现场研 究电极的性质.包括化学和电化学过程诱导的吸附、腐蚀以及 有机和生物分子在电极表面的沉积和形态变化等。
原子力显微镜的原理及应用
原子力显微镜的原理及应用1. 原子力显微镜的原理原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)是一种基于探针与样品之间的相互作用力进行显微观测的仪器。
它利用微小探针在纳米尺度上与样品表面的相互作用力,通过测量探针的位移或力的变化,实现对样品表面形貌和性质的高分辨率表征。
1.1 原子力显微镜的探针•原子力显微镜的探针通常由单个或多个纳米尺寸的晶体材料制成,如硅、碳纳米管等。
探针的尖端具有非常尖锐的几何形状,其尺寸可以控制在纳米级别。
1.2 原子力显微镜的工作原理•原子力显微镜在扫描过程中,探针通过微小的弹簧力和表面之间的静电引力或范德华力等相互作用力与样品表面发生作用。
这些相互作用力的变化通过探针的位移或力的变化传递给检测系统,最终生成样品表面的形貌和性质图像。
2. 原子力显微镜的应用原子力显微镜在材料科学、表面物理和生物科学等领域有着广泛的应用。
下面列举了一些常见的应用领域。
2.1 材料表面形貌与性质分析•原子力显微镜能够对材料表面的形貌和性质进行高分辨率的表征,包括表面粗糙度、晶体结构、自组装行为等。
这对于材料的表面工艺和性能研究具有非常重要的意义。
2.2 生物样品的形态学研究•原子力显微镜可以对生物样品中的细胞、细胞器、蛋白质等进行高分辨率的形态学研究。
通过观察生物样品的表面形貌和结构,可以获取关于其生物学功能和病理变化的重要信息。
2.3 表面力学性能的表征•原子力显微镜可以通过对探针与样品之间的弹性变形进行测量,实现对样品的力学性能进行表征。
这对于材料的力学性能分析、薄膜的力学性质研究等具有重要意义。
2.4 纳米加工与纳米操控•原子力显微镜不仅可以用于纳米尺度下的观察,还可以通过在探针尖端施加微小力量,实现纳米级别的加工和操纵。
这对于纳米器件的制备和纳米材料的操控具有非常重要的应用前景。
2.5 电磁性能的表征•原子力显微镜可以通过测量在电磁场作用下样品表面的位移或力的变化,实现对电磁性能的表征,包括电容、导电性等。
什么是原子力显微镜
什么是原子力显微镜
原子力显微镜(Atomic Force Microscope,简称AFM)是一种用于研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的高级分析仪器。
它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。
原子力显微镜主要由两部分组成:微悬臂和反馈系统。
微悬臂是一对微弱力极端敏感的细小臂,一端固定,另一端的微小针尖接近样品表面。
当针尖与样品相互作用时,作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。
反馈系统则负责实时监测微悬臂的变化,并通过调整针尖与样品之间的距离或改变针尖的形状来保持微悬臂的稳定。
在原子力显微镜中,扫描样品时,利用传感器检测微悬臂的变化,就可获得作用力分布信息。
这些信息可以以纳米级分辨率获得表面形貌结构信息及表面粗糙度信息。
由于原子力显微镜既可以观察导体,也可以观察非导体,从而弥补了扫描隧道显微镜的不足。
以上信息仅供参考,如有需要,建议查阅相关网站。
原子力显微镜
原子力显微镜的各类针尖
原子力显微镜与扫描隧道显微镜的区别
扫描隧道显微镜的原理:扫描隧道显微镜(STM)的基本 原理是利用量子理论中的隧道效应 。将原子线度的极细 探针和被研究物质的表面作为两个电极,当样品与针尖的 距离非常接近时(通常小于1nm),在外加电场的作用下, 电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极 。利用电 子反馈线路控制隧道电流的恒定,并用压电陶瓷材料控制 针尖在样品表面的扫描,则探针在垂直于样品方向上高低 的变化就反映出了样品表面的起伏,将针尖在样品表面扫 描时运动的轨迹直接在荧光屏或记录纸上显示出来,就得 到了样品表面态密度的分布或原子排列的图象。
原子力显微镜
生科院
显微镜的分类
暗视野显微镜 实体显微镜 荧光显微镜 偏光显微镜 位相显微镜 倒置式显微镜 微分干涉显微镜 摄影显微镜 透射式电子显微镜 电子显微镜 扫描式电子显微镜
光学显微镜
显 微 镜
扫描隧道显微镜、原子力显微镜
原子力显微镜
原子力显微镜
原子力显微镜(Atomic Force Microscope )简称 AFM。是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。它通过检测待测样品表面和一个微型力 敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的 表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固 定,另一端的微小针尖接近样品,这时它将与其相互作用, 作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描 样品时,利用传感器检测这些变化,就可获得作用力分布 信息,从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。
原子力显微镜 在研究物质超微结构中的应用
应用原子力显微镜(AFM)可以直接观察到表面缺陷、 表面重构、表面吸附体的形态和位置、以及有表面吸附体 引起的表面重构等。原子力显微镜(AFM)可以观察许多不 同材料的原子级平坦结构,例如,可以用原子力显微镜 (AFM)对DL-亮氨酸晶体进行研究,可观察到表面晶体分 子的有序排列,其晶格间距与X射线衍射数据相符。另外 原子力显微镜(AFM)还成功地用于观察吸附在基底上的有 机分子和生物样品,如,三梨酸、DNA和蛋白质的表面。
原子力显微镜-仪器百科
一、原子力显微镜简介原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM),一种可用来研究包括导体、半导体和绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。
它的横向分辨率可达0.15m,而纵向分辨率可达0.05m,AFM最大的特点是可以测量表面原子之间的力,AFM可测量的最小力的量级为10-14-10-16N。
AFM还可以测量表面的弹性,塑性、硬度、黏着力等性质,AFM还可以在真空,大气或溶液下工作,也具有仪器结构简单的特点,在材料研究中获得了广泛的研究。
它与其他显微镜相比有明显不同,它用一个微小的探针来”摸索”微观世界,AFM超越了光和电子波长对显微镜分辨率的限制,在立体三维上观察物质的形貌,并能获得探与样品相互作用的信息,典型AFM的侧向分辨率(x,y)可达到2nm,垂直分辩牢(方间)小于0。
1mmAFM具有操作客易、样品准备简单、操作环境不受限制、分辨率高等优点。
二、原子力显微镜的基本原理AFM中为检测出表面力而精细加工的感知杠杆使用了一端支撑的微小弹簧板。
在感知杠杆的尖端有半径几十纳米、非常尖的小探针,感知杠杆从试件表面受到探针的作用力变形。
感知杠杆的弹性系数K 一般为已知,通过用隧道电流或激光束偏移,来检测感知杠杆在Z方向上的微小位移△Z,可知作用在探针一表面之的局力(F=K△Z)。
一边测定该力,一边对试样进行机械的二维扫描,就能得到试样表面力的二维像。
为保持力的信号稳定,一边控制试样Z方向的位置,一边扫描试样,记录各点的移动量,就可以得到三维的精细形貌像。
图1当探针尖和试件表面的距离缩小到纳米数量级时,探针尖端原子和试件表面原子间的相互作用力就显示出来,由于原子间距离缩小产生相互作用,造成原子间的高度势垒降低,使系统的总能量降低,于是二者之间产生吸引力(范德华力),如果两原子间距离继续减小接近到原子直径量级时,由于两原子间的电子云的不相容性,两原子间的相互作用为排斥力(库仑力),原子力显微镜就是通过检测探针尖和试件表面原子间的相互作用力而进行测量的。
原子力显微镜
原子力显微镜的介绍
简介
原子力显微镜(AFM)是在扫 描隧道显微镜基础上为观察非导电 物质经改进而发展起来的分子和原 子级显微工具。对比于现有的其它 显微工具,原子力显微镜以其高分 辨、制样简单、操作易行等特点而 备受关注,并已在生命科学、材料 科学等领域发挥了重大作用,极大 地推动了纳米科技的发展,促使人 类进入了纳米时代。
原子力检测方法,也即微悬臂偏转的检测方法,一 般有7种。它们是:隧道电流、电容、自差、外差、激光二 极管反馈、偏振和偏转方法。前两种属于电子方法;后5种 为光学方法,最后一种光偏转方法是采用最多的方法也是 批量生产原子力显微镜最长采用的方法。
工作模式
接触模式
样品扫描时,针尖始 终同样品“接触”。此模 式通常产生稳定、高分辨 图像。针尖-样品距离在小 于零点几个纳米的斥力区 域。样品沿着xy方向扫描 时,由于表面的高低起伏 使得针尖-样品距离发生变 化,引起它们之间作用力 的变化,从而使悬臂形变 发生改变。
非接触模式
针尖在样品表面的上方振动 ,始终不与样品表面接触。针 尖-样品距离在几到几十纳米的 吸引力区域,针尖-样品作用力 比接触式小几个数量级。当以 共振频率驱动的微悬臂接近样 品表面时,由于受到递增的力 梯度作用,使得微悬臂的有效 的共振频率减小,因此在给定 共振频率处,微悬臂的振幅将 减小很多。振幅的变化量对应 于力梯度量,因此对应于针尖样品间距。反馈系统通过调整 针尖-样品间距使得微悬臂的振 幅在扫描时保持不变,就可以 得到样品的表面形貌像。
原子力显微镜功能
• 表面形貌的表征 通过检测探针-样品作用力可表征样品 表面的三维形貌,这是AFM最基本的功能。 • 表面物化属性的表征 AFM的一种重要的测量方法是力-距离曲 线,它包含了丰富的针尖-样品作用信息。 在探针接近甚至压入样品表面又随后离开 的过程中,测量并记录探针所受到的力, 就得到针尖和样品间的力-距离曲线。
原子力显微镜(AFM)
原子力显微镜的特点
原子力显微镜同样具有原子级的分辨 率。由于原子力显微镜既可以观察导 体,也可以观察非导体,从而弥补了 STM的不足
单原子操纵和纳米加工
STM的针尖不仅可以成像,还可以用于操纵表面上的原子 或分子
最简单的方法是将针尖下移,使针尖顶部的原子和表面上 的原子的“电子云”重叠,有的电子为共享,会产生一种 与化学键相似的力。在一些场合下,这种力足以操纵表面 上的原子
➢ 当距离>0.6nm时,STM针尖和样品表面之间的化学相互作用 在单原子操纵过程中不起主导作用,这样,原子的操纵则取决 于针尖和样品表面之间的纯电场或电流效应
单原子操纵的三个部分
➢ 单原子的移动(displacement) ➢ 单原子的提取(extraction) ➢ 单原子的放置(deposition)
在现代超大规模集成电路芯片的光刻生产加工中,目前 广泛应用于实际生产、精度最高的是深紫外光光刻技术。 它加工的最小线宽为130nm,其理论极限是100nm
最小线宽决定了集成电路中晶体管尺寸的大小。因此, 发展100nm以下的刻蚀技术是未来更大规模集成电路 加工的基础
AFM与STM在纳米技术加工方面都具有很强的应用背 景。AFM不受材料种类的限制,在各种材料的加工中得 到了更广泛的应用
氧化硅纳米细线的加工
用多壁碳纳米管针 尖在Si的氢钝化表面 上加工 出的SiO2纳
米结构
SiO2纳米细线构成 的微小的单词
“nanotube”和 “nanopencile”
10nm线宽在石墨表面刻写的字符 Chinese Academy of Sciencer
为了更有效地操纵表面上的原子,通常在针尖和表面之间 加上一定的能量,如电场激励、电流激励、光子激励等能 量方式
原子力显微镜
(2) A F M 与计算机模拟技术相结合, 研究蛋白质晶体的空间结构 (3) A F M 单分子力谱线技术和蛋白 质工程技术联用 研究力对巯基二硫键转 换的动力学 (4 )A F M 可与 P C R 技术结合对 D N A 进行扩增和修复等等。
工作模式
• 原子力显微镜的工作模式是以针尖与样品 之间的作用力的形式来分类的。主要有以 下3种操作模式:接触模式(c o n ta c t m o d e ) ,非接触模式( n o n c o n ta c t m o d e ) 和敲击模式 ( ta p p in g m o d e ) 。 • 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(L F M ) 、 曲线测量、纳米加工。
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 。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。 试样的厚度,包括试样台的厚度,最大 为10 m m 。试样的大小以不大于试样台的大 小(直径20 m m )为大致的标准。稍微大一 点也没问题。但是,最大值约为40 m m 。
二 原子力显微镜的工作
• 工作原理
原子力显微镜:是一种利用原子,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.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.当 探针很靠近样品时,其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 的位置.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.
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
2-原子力显微镜AFM
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2
2.2.1 原子力显微镜的基本原理
AFM的微小的针尖
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3
2.2.2原子力显微镜微悬臂偏转的检测方法
AFM的图像是通过在样品表面上扫描时测量微悬臂受力弯曲后偏转的程度得到 的。采用不同的微悬臂偏转的检测方式就构成了不同的AFM工作原理。检测微悬臂偏转 的方式有很多种,其精度将直接影响到AFM的原子分辨率。最常用的有四种:
在电容测量法中,微悬臂作为构成平行平板电容器的一块平板 之一,而另一块平板则平行地位于微悬臂的上方,如图所示。
微悬臂的偏转值将通过测量该电容器的电容值的变化得到。它 的垂直位移检测精度达到0.03nm。电容测量法是所介绍的这几种 常用微悬臂偏转检测方法中精度稍差的一种。
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11
2.2.3原子力显微镜的微悬臂及针尖
2021/4/9
1
2.2.1 原子力显微镜的基本原理
AFM的工作原理如图所示。对 微弱力极其敏感的微悬臂一端固定, 另一端则有一微小的针尖。在图像 扫描时,针尖与样品表面轻轻接触, 而针尖尖端原子与样品表面原子间 存在极微弱的排斥力(10-8~10-6N), 会使悬臂产生微小偏转。这种偏转 被检测出并用作反馈来保持力的恒 定,就可以获得微悬臂对应于扫描 各点的位置变化,从而可以获得样 品表面形貌的图像。各种形式的 AFM的区别主要在微悬臂偏转的检 测方式上,通常有隧道电流检测法, 光学检测法和电容测量法。
2.2 原子力显微镜(AFM) 2.2.1 原子力显微镜的基本原理
STM只能在导电材料的样品表面上分辨出单个的原子并得到原 子结构的三维图像。对于非导电材料, STM将无能为力,应用受到 了限制。为了弥补STM的不足,分辨绝缘表面上的单个原子,1986 年,Binnig,Quate和Gerber发明了原子力显微镜(AFM)。AFM是 一种类似于STM的显微技术,它的许多元件与STM是共同的,如用 于二维扫描的压电陶瓷系统以及反馈控制器等。它与STM主要不同 点是用一个对微弱力极其敏感的易弯曲的微悬臂针尖来代替STM的 隧道针尖,并以探测悬臂的微小偏转代替了STM中的探测微小隧道 电流。正是因为AFM工作时不需要探测隧道电流,所以它可以用于 分辨包括绝缘体在内的各种材料表面上的单个原子,其应用范围无 疑比STM更加广阔。但从分辨率来看,AFM要比STM略微低一些。
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2
12
4
R[
z
2 2
1 30
z
8 8
]
F ( z)
F ( z) z
3 4
2
1
2
3
R[
z
3 3
2 15
z
9 9
]
3.4 毛细力和AFM在液体中测量
1. 试件表面的吸附层
化学吸附
物理吸附
亲水
疏水
2. 毛细力及其对AFM测量的影响
Fa 2Rh / r
在R = 50~100 nm,相对湿度在40~80% 时,毛细力大约在几十nN数量级。
2. 作用力的检测模式
1) 恒力测量模式;
2) 测量微悬臂形变量的测量模式; 3) 恒力梯度测量模式;
4) 力梯度测量模式。
3. AFM检测时的扫描成像模式
AFM检测试件表面微 观形貌时,现在采用 三种不同的扫描成像 模式: 1)接触扫描成像模式 (contact mode), 2)非接触扫描成像模 式或抬高扫描成像模 式 (non-contact mode或 lift mode), 3)轻敲扫描成像模式
z
1
ki kc
h
故在恒力测量模式时,测出的试件廓形高低, 大于 真实的高低,即测量结果在垂直方向有放大作用, 造成测量廓形的误差
3)在AFM测量时, 针尖的预置力越大,纵向测量结果的放大作用也越大,即纵 向畸变也增大。为减小测量误差,应尽量采用小的针尖预置力。 4) AFM测量结果的纵向放大量(畸变)和微悬臂的刚度有关。在采用等间隙 测量模式时,从式中可看,采用刚度kc较低的微悬臂较为有利,可以减小纵 向测量误差。但如采用恒力测量模式时,为减小纵向测量误差, 应采用刚度较 高的微悬臂,这和采用等间隙测量模式时正好相矛盾。因此可知,微悬臂刚 度的选择和AFM的测量模式有关。
ki
[ 1 kt
1 kg
1 ]1 ks
z ki h kc ki
1)在AFM采用接触测量时,ki > 0,实测高度Δz将小于试件表面真实的起伏。 2)在AFM采用恒力测量模式时,针尖一试件间的相互作用力需保持不变。当检 测中作用力发生变化kiΔh时,反馈系统通过改变Δz,使悬臂的变形力产生变化, 而达到平衡 :kc (Δz – Δh) = ki Δh
2)非接触扫描成像模式
非接触扫描模式测量时,测量的作用力是以范德华力为主的吸引力,针尖-试件 间距离大致在5~20 nm。
非接触扫描测量模式的主要优点, 是探针和试件不接触,针尖测量时不会使试件表 面变形,适用于弹性模量低的试件,此外因针尖和试件不接触,测量不受毛细力的影 响,同时针尖也不易磨损。但非接触扫描测量模式测量灵敏度要低些。
3)轻敲扫描成像模式
AFM轻敲扫描针尖振荡示意图
3.3 探针与试件间的作用力
1. 探针与试件间的各种作用力
1)各种长程力和短程力
作用力
举例
磁力
生物铁磁体 磁畴
静电力
长
程
毛细力
力
液固界面力
针类—试件间电容 玻璃上水膜 针尖和试件间凹面
范德华力 粘附力
针尖一试件间(R>>Z) 跳跃接触
短
排斥力
程
弱相互作用力
不易用于测量
3. 悬臂-针尖-试件相互作用的动力学分析
1)针尖-试件相互作用的势能
u(r)
4
12
( r12
6
r6
)
r-两原子间距离 ε-两原子间作用能的系数
σ-在u (r)= 0时的两原子间距离
u(
z)
2 3
2
12
5
R[
z
1 210
z
7 7
]
针尖-试件间距离为z 的总势能
F(z)
u(z) z
2 3
❖加工样品的力行为
测试样品的硬度和弹性等;AFM还能产生和 测量电化学反应。AFM还具有对标本的分 子或原子进行加工的力行为,例如:可搬移原 子,切割染色体,在细胞膜上打孔等等。
2. 原子力显微镜的基本工作原理
AFM 扫描驱动
试件 AFM探针 STM 探针
探测器
3.1 原子力显微镜简介
激光
微悬臂和探针
3. 液体中针尖-试件间的相互作用力
探针和试件都浸入液体内进行测量 时,可以完全消除毛细现象,因此可不受毛 细力的干扰,使测量时的作用力大大减小, 而且可以:
1)检测软质试件; 2)可以观察检测活的生物细胞; 3)可以观察研究“固液界面” 。
现在还不能完全控制AFM在液体中不同条 件时的针尖-试件间的相互作用力,作用机理 也不完全清楚。但AFM在液体中测量时,因消 除了毛细力,可以使针尖-试件间的作用力, 比在真空中测量降低两个数量级。这对检测柔 软生物细胞,低弹性模量的软质材料极为重要。
这些显微技术都是利用探针与样品的不同相互作用,来探测表 面或界面在纳米尺度上表现出的物理性质和化学性质。
扫描探针显微镜具有三个传统显微镜无法达到的重大突破
➢扫描探针显微镜具有极高度的解析力 ➢扫描探针显微镜具有三维立体的成像能力 ➢扫描探针显微镜可以在多种环境下操作
• 原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由Binnig与史丹佛大学的Quate 于一 九八五年所发明的
2) 针尖–试件间的横向作用力, 使探针 弯曲, 造成测量误差。
3) 针尖–试件间作用力和距离变化的非 线性,造成测量误差。
纯几何的测量误差
3.6 AFM的微悬臂和针尖
1. 对微悬臂和针尖性能的要求
针尖尖锐程度, 直接决定AFM测量的横向分辨率。理想针尖的尖端是单原 子,现在的商品针尖端曲率半径在100~50 nm,正努力希望能达到曲率半 径R = 10 nm或更小。 微悬臂应该对垂直于试件表面, 作用于针尖的Z向微弱力极为敏感,应该 可以检测到几nN力的变化,因此微悬臂在Z向的弹性系数k必须很小。 在扫描过程中, 针尖受摩擦力和横向力作用,因此要求悬臂有很高的横向 刚度以减少测量误差。 微悬臂的自振频率须足够高,以便在扫描检测时, 针尖能跟踪试件表面的 起伏。在典型测量中,扫描时轮廓起伏信号的频率可以达到几kH, 因此微悬 臂的固有频率必须高于10 kHz,这样才能测出正确的试件表面微观形貌。 由于微悬臂Z向弹簧常数k很小,要求的自振频率又较高,这决定了微悬 臂的尺寸(长度),必须很小,常用100μm量级,质量也必须很小,应小 于1 mg。
固体材料实验方法
——原子力显微镜
1982 年,Gerd Binnig 和Heinrich Rohrer 共同研制成功了第一台 扫描隧道显微镜( scanning tunneling microscope ,STM), 1986 年,Binnig 和Rohrer 被授予诺贝尔物理学奖。衍生出一系列扫描探 针显微镜(Scanning Probe microscope)
3)AFM测量时利用的相互作用力
在接触测量时,检测的是它们间的相互排斥力; 在非接触测量时,检测的是它们间的相互吸引力
4)针尖-试件间其他作用力及其应用于各种扫描力显微镜
针尖-试件间相互作用的磁力,可制成检测材料磁性能的磁力显微镜(MFM); 针尖-试件间相互作用的静电力,可制成检测材料表面电场电势的静电力显微镜 (EFM); 探针-试件接触滑行时的摩擦力,可制成研究材料摩擦磨损行为的摩擦力显微镜 (FFM);
AFM的三大特点
❖原子级的高分辨率
光学显微镜的放大倍数一般都超不过1000倍; 电子显微镜的放大倍数极限为100万倍; 而AFM的放大倍数能高达10亿倍,
❖观察活的生命样品
电子显微镜的样品必须进行固定、脱水、包埋、切片、 染色等一系列处理,因此电子显微镜只能观察死的细胞 或组织的微观结构;
原子力显微镜的样本可以是生理状态的各种物质, 在大气条件或溶液中都能进行,因而只需很少或不 需对样品作前期处理,这样,就使AFM能观察任何活 的生命样品及动态过程。
子的时间平均偶极矩为零,但是由于电子不断围绕原子核运 动,在某一瞬间可能产生一定的偶极矩,使得中性原子或分 子之间产生瞬时间偶极矩作用,从而产生了色散力。
Fv =
AR 6
1 z2
Hamaker常数A是决定范德华作用能大小的关键性参数
2)针尖-试件原子间作用力和距离的关系
针尖-试件原子间作用力和距离的关系
力 强相互作用力
针尖试件接触
相互作用距离 ~0.1m ~10-7m ~10-7m ~10-3m ~10-9m ~10-7m ~10-8m ~10-9m
~10-10m ~10-15m
~10-15m
2)探针尖接近试件过程中发生作用的各种力
探针-试件间距离在10 μm左右时,空气阻尼力 探针-试件间距离在100~1000nm时,主要静电力和磁力相互作用 探针-试件间距离在10~100nm处,吸附水膜产生几百nN吸引力的毛细力 针尖-试件距离到达10 nm左右时 ,原子(分子、离子)间吸引的范德华力 针尖-试件间距离小到1 nm以内时,原子间相互排斥的厍仑力开始起作用
3. 探针尖曲率半径对测量结果的影响
使 用 商 品 的 Si3N4 四 棱 锥 探 针 尖 检 测所获得的聚酰亚胺薄膜AFM图像
使用ZnO晶须作探针尖检测,所获 的聚酰亚胺薄膜AFM图像
4. 试件表面廓形高低起伏不平 对测量结果的影响
1) 纯几何的测量误差, 即针尖和试件表 面接触点改变,造成的测量误差。
2. AFM工作时针尖-试件间的相互作用力
1)相互排斥的库仑力和相互吸引的范德华力
(1)原子间的排斥力 原子(分子)间的排斥力是由于原子外
面的电子云相互排斥而产生的,原子间的排 斥 力 是 很 强 的 , 在 AFM 测 量 时 排 斥 力 在 10 - 8~10-11N数量级,是短程的相互作用力,作 用距离在10-10m,随距离增加排斥力迅速衰 减。