原子力显微镜ppt课件
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第四章-原子力显微镜单原子操纵和纳米加工技术PPT课件
第二讲 扫描隧道显微镜及其应用
复习主要内容
1. 电子显微镜的原理 2. 扫描隧道显微镜的基本原理 3. 扫描隧道显微镜不同条件下的应用
.
1
电子显微镜的原理
.
2
STM的基本原理图
.
3
STM扫描模式示意图
扫描隧道显微镜有两种工作模式，恒电流模式和 恒高度模式。
STM的两种工作模式：(a) 恒电流模式； (b) 恒高度模式
.
4
扫描隧道显微镜不同条件下的应用
大气和室温条件 超真空和室温条件 超真空和高温条件 超真空和低温条件 溶液条件
.
5
4 扫描隧道显微镜单原子操纵和纳米加工技术
单原子操纵 （1）原理 （2）单原子移动 （3）单原子提取 （4）单原子放置
.
6
原子操纵的原理
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 “电子云”重 叠，有的电子为双方共享，就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。但是，为了更为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，如电场蒸 发，电流激励，光子激励等能量方式。
用铅笔法将Au针尖材 料放置到样品表面上
.
22
蘸水笔法放置原子
用W针尖从 Si(111） 样品表面上提取Si原子并移至 所期望的位置后，施加适当的电压脉冲就可以将提 取的Si原子逐个放置到表面上所期望的位置
复习主要内容
1. 电子显微镜的原理 2. 扫描隧道显微镜的基本原理 3. 扫描隧道显微镜不同条件下的应用
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1
电子显微镜的原理
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2
STM的基本原理图
.
3
STM扫描模式示意图
扫描隧道显微镜有两种工作模式，恒电流模式和 恒高度模式。
STM的两种工作模式：(a) 恒电流模式； (b) 恒高度模式
.
4
扫描隧道显微镜不同条件下的应用
大气和室温条件 超真空和室温条件 超真空和高温条件 超真空和低温条件 溶液条件
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5
4 扫描隧道显微镜单原子操纵和纳米加工技术
单原子操纵 （1）原理 （2）单原子移动 （3）单原子提取 （4）单原子放置
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6
原子操纵的原理
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 “电子云”重 叠，有的电子为双方共享，就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。但是，为了更为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，如电场蒸 发，电流激励，光子激励等能量方式。
用铅笔法将Au针尖材 料放置到样品表面上
.
22
蘸水笔法放置原子
用W针尖从 Si(111） 样品表面上提取Si原子并移至 所期望的位置后，施加适当的电压脉冲就可以将提 取的Si原子逐个放置到表面上所期望的位置
原子力显微镜培训课件-新版.ppt
原子力显微镜
小组成员： 陈曦 90513108 刘聃 90513115 苏炳男 90513123 张志豹 90513118
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AFM的发明与发展
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显微镜的发展
光学显微镜
高级显微镜
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光学显微镜
16世纪末，荷兰的眼镜商Zaccharias Janssen, 第一台复合式显微镜，倍数太低
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在生物医学研究中，最常用的一种模式是 敲击模式（tapping AFM）：
在敲击模式中，一种恒定的驱使力使探针悬 臂以一定的频率振动。当针尖刚接触样品 时，悬臂振幅会减少到某一数值。在扫描 过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一数 值恒定，也就是说作用在样品上的力恒定， 通过记录压电陶瓷管的移动得到样品表面 形貌图。
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位置检测部分： 在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针
尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂 （cantilever）摆动，所以当激光照射在 cantilever的末端时，其反射光的位置也会因为 cantilever摆动而有所改变，这就造成偏移量的 产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器 将偏移量记录下并转换成电的信号，以供控制器 作信号处理。
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STM就是运用了“隧道效应”这一原理，如 图：
探针与样品之间的缝隙就相当于一个势垒， 电子的隧道效应使其可以穿过这个缝隙， 形成电流，并且电流对探针与样品之间的 距离十分敏感，因此通过电流强度就可以 知道到探针与样品之间的距离
小组成员： 陈曦 90513108 刘聃 90513115 苏炳男 90513123 张志豹 90513118
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16世纪末，荷兰的眼镜商Zaccharias Janssen, 第一台复合式显微镜，倍数太低
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在敲击模式中，一种恒定的驱使力使探针悬 臂以一定的频率振动。当针尖刚接触样品 时，悬臂振幅会减少到某一数值。在扫描 过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一数 值恒定，也就是说作用在样品上的力恒定， 通过记录压电陶瓷管的移动得到样品表面 形貌图。
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位置检测部分： 在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针
尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂 （cantilever）摆动，所以当激光照射在 cantilever的末端时，其反射光的位置也会因为 cantilever摆动而有所改变，这就造成偏移量的 产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器 将偏移量记录下并转换成电的信号，以供控制器 作信号处理。
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STM就是运用了“隧道效应”这一原理，如 图：
探针与样品之间的缝隙就相当于一个势垒， 电子的隧道效应使其可以穿过这个缝隙， 形成电流，并且电流对探针与样品之间的 距离十分敏感，因此通过电流强度就可以 知道到探针与样品之间的距离
扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍 ppt课件
实现了单原子和单分子操纵 利用STM针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸引或排斥作用，使吸附分子在 材料表面发生横向移动，具体又可分为“牵引”、“滑动”、“推动”三种方 式。通过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上，然后移动到新的位置，再将 分子沉积在材料表面。通过外加一电场，改变分子的形状，但却不破坏它的化 学键可以实现单分子操纵。
被弹回。而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零， 也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒(如图)这个现象称为隧道效 应。
ppt课件
3
2.STM的原理
隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应 才会显著。经计算，透射系数T为：
T
16E(V0
E)
2a
e
2m(V0 E )
在分子水平上构造电子学器件 一般情况下金属和半导体材料具有正的电导，即流过材料的电流随着所施加的电压的 增大而增加。但在单分子尺度下，由于量子能级与量子隧穿的作用会出现新的物理现 象──负微分电导。中国科技大学的科学家仔细研究了基于C60分子的负微分电导现象。 他们利用STM针尖将吸附在有机分子层表面的C60分子“捡起”，然后再把C60移到另 一个C60分子上方。这时，在针尖与衬底上的C60分子之间加上电压并检测电流，他 们获得了稳定的具有负微分电导效应的量子隧穿结构。这项工作通过对单分子操纵构 筑了一种人工分子器件结构。这类分子器件一旦转化为产品，将可广泛的用于快速开 关、震荡器和锁频电路等方面，这可以极大地提高电子元件的集成度和速度。
被弹回。而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零， 也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒(如图)这个现象称为隧道效 应。
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2.STM的原理
隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应 才会显著。经计算，透射系数T为：
T
16E(V0
E)
2a
e
2m(V0 E )
在分子水平上构造电子学器件 一般情况下金属和半导体材料具有正的电导，即流过材料的电流随着所施加的电压的 增大而增加。但在单分子尺度下，由于量子能级与量子隧穿的作用会出现新的物理现 象──负微分电导。中国科技大学的科学家仔细研究了基于C60分子的负微分电导现象。 他们利用STM针尖将吸附在有机分子层表面的C60分子“捡起”，然后再把C60移到另 一个C60分子上方。这时，在针尖与衬底上的C60分子之间加上电压并检测电流，他 们获得了稳定的具有负微分电导效应的量子隧穿结构。这项工作通过对单分子操纵构 筑了一种人工分子器件结构。这类分子器件一旦转化为产品，将可广泛的用于快速开 关、震荡器和锁频电路等方面，这可以极大地提高电子元件的集成度和速度。
原子力显微镜原理及在材料科学中的应用31PPT课件
microscopes • 1.2. Scanning elements (scanners) • 1.3. Devices for precise control of tip and
sample positions • 1.4. Protection of SPM against external
3
课程目标与要求
• 理解SPM的基本结构和工作原理 • 了解SPM基本技术特点，（长处和短处） • 知道如何在研究工作中运用SPM技术为自
己的研究工作服务。
4
Introduction
• 扫描探针显微镜 (SPM) 是最强有力的现代研 究技术之一， 它使得我们能够以非常高的空 间分辨率研究固体表面的形貌和微区局域的 物理、化学、电学、光学等性质。在过去的 20年中，SPM 技术已经由一种只有有限的几 个研究组拥有的“贵族”技术演变成一种广 泛使用的研究表面性质的工具。目前，在表 面物理和薄膜技术领域中 都使用了SPM技术。 扫描探针显微术已经成为纳米技术新方法发 展的基础，如在纳米尺度上创造新的结构。
• 1984 - Scanning capacitive microscope. J. R. Matey, J. Blanc.500 nm (lateral resolution) images of capacitance variation.
• 1985 - Scanning thermal microscope. C. C. Williams, H. K. Wickramasinghe. Resolution of 50 nm in thermal images.
sample positions • 1.4. Protection of SPM against external
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课程目标与要求
• 理解SPM的基本结构和工作原理 • 了解SPM基本技术特点，（长处和短处） • 知道如何在研究工作中运用SPM技术为自
己的研究工作服务。
4
Introduction
• 扫描探针显微镜 (SPM) 是最强有力的现代研 究技术之一， 它使得我们能够以非常高的空 间分辨率研究固体表面的形貌和微区局域的 物理、化学、电学、光学等性质。在过去的 20年中，SPM 技术已经由一种只有有限的几 个研究组拥有的“贵族”技术演变成一种广 泛使用的研究表面性质的工具。目前，在表 面物理和薄膜技术领域中 都使用了SPM技术。 扫描探针显微术已经成为纳米技术新方法发 展的基础，如在纳米尺度上创造新的结构。
• 1984 - Scanning capacitive microscope. J. R. Matey, J. Blanc.500 nm (lateral resolution) images of capacitance variation.
• 1985 - Scanning thermal microscope. C. C. Williams, H. K. Wickramasinghe. Resolution of 50 nm in thermal images.
原子力显微镜课件PPT
2021/3/10
27
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
物理吸附
亲水
疏水
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2. 毛细力及其对AFM测量的影响
Fa2Rh/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。
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：
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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
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
扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术ppt课件
52
37
高分子结晶形态观察
38
非晶态单链高分子结构观察
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。
39
40
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
21
基本原理
22
基本原理
23
基本原理 原子力显微镜之解析度
24
基本原理
25
基本原理
26
基本原理
氮化硅探针针尖放大图27
基本原理 针尖技术
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。
单碳纳米壁管 直径0. 7～5 nm
47
膜污染研究-超滤膜或微滤膜
新膜表面三维图 X —1μm/ 格; Z —50 nm/ 格
污染膜表面三维图 X —1μm/ 格; Z —2 000 nm/ 格
48
49
பைடு நூலகம்
50
AFM 以分辨率高、制 样要求简单、得到的样品 表面信息丰富的特点在各 领域得到了越来越广泛的 应用。
51
THE END！
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。
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高分子结晶形态观察
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非晶态单链高分子结构观察
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。
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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
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基本原理
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基本原理
23
基本原理 原子力显微镜之解析度
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基本原理
25
基本原理
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基本原理
氮化硅探针针尖放大图27
基本原理 针尖技术
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。
单碳纳米壁管 直径0. 7～5 nm
47
膜污染研究-超滤膜或微滤膜
新膜表面三维图 X —1μm/ 格; Z —50 nm/ 格
污染膜表面三维图 X —1μm/ 格; Z —2 000 nm/ 格
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பைடு நூலகம்
50
AFM 以分辨率高、制 样要求简单、得到的样品 表面信息丰富的特点在各 领域得到了越来越广泛的 应用。
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THE END！
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。
原子力显微镜系统培训课件-新版.ppt
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原子力顯微鏡的原理
當探針尖端與樣品表面接觸時，依其作用力作用(吸力或斥力)，使得懸臂 彎曲，再以一低功率的雷射射在懸臂末端上，再藉由一組感光二極體偵測 器量測入射雷射光反射角度的變化，依據變化的角度，使感光二極體上雷 射光斑造成變化造成二極體電流改變，由測量電流的變化可得知懸臂彎曲 程度，輸入電腦產生樣品表面三維影像。所以不論絕緣體、半導體、導體 都一樣可以獲得三維空間影像。
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原子力顯微的應用
原子力顯微鏡之用途相當廣泛，包括：利用探針量測物表面及在微表面雕刻。精 密儀器中心利用原子力顯微鏡探針在氧化矽表面所得到的清大材料系徽，其氧化 層高度為3nm，最小線寬為50nm。
運用原子力顯微鏡探針在樣品表面.雕刻.量測表面形狀
最新文档Leabharlann Baidu
結論
原子力顯微鏡微影開啟了一個全新的微影技術，提供以幫助現代 科技朝向奈米世界發展。未來原子力顯微鏡微影勢必成為一個被 廣泛應用的工具。原子力顯微鏡的解析度很高，且不必在真空下 操作，就能得到較高的倍率，應用在生物分子、細胞的觀察的應 用，必定有蓬勃發展。未來使原子力顯微鏡結合光學顯微鏡，使 其探針位置偵測加強，提升原子力顯微鏡發展的潛力。
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原子力顯微鏡的種類
(2)非接觸式原子力顯微鏡 原子顯微鏡懸臂，是以振動的方式量測，當探針尖端
靠近樣品表時偵測其共振頻率或振動振幅的變化。此 時架設靈敏AC偵測架構俱有小於埃的垂直解析度。 由 於探針尖端與樣品之間的總力非常小約為(10負2次方 牛頓) ，所以常用於樣品的材質較軟或彈性較佳的材質 且因其是非接觸式所以可以量測 導體、非導體、半導體。 比較兩者接觸與非接觸的差異: 接觸:如果堅硬樣品表面部份有濃縮的水層，接觸式會 穿透液體層，會破壞樣品表面。 非接觸:並不會穿透液體層，所以也不會破壞樣品表面。
原子力顯微鏡的原理
當探針尖端與樣品表面接觸時，依其作用力作用(吸力或斥力)，使得懸臂 彎曲，再以一低功率的雷射射在懸臂末端上，再藉由一組感光二極體偵測 器量測入射雷射光反射角度的變化，依據變化的角度，使感光二極體上雷 射光斑造成變化造成二極體電流改變，由測量電流的變化可得知懸臂彎曲 程度，輸入電腦產生樣品表面三維影像。所以不論絕緣體、半導體、導體 都一樣可以獲得三維空間影像。
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原子力顯微的應用
原子力顯微鏡之用途相當廣泛，包括：利用探針量測物表面及在微表面雕刻。精 密儀器中心利用原子力顯微鏡探針在氧化矽表面所得到的清大材料系徽，其氧化 層高度為3nm，最小線寬為50nm。
運用原子力顯微鏡探針在樣品表面.雕刻.量測表面形狀
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結論
原子力顯微鏡微影開啟了一個全新的微影技術，提供以幫助現代 科技朝向奈米世界發展。未來原子力顯微鏡微影勢必成為一個被 廣泛應用的工具。原子力顯微鏡的解析度很高，且不必在真空下 操作，就能得到較高的倍率，應用在生物分子、細胞的觀察的應 用，必定有蓬勃發展。未來使原子力顯微鏡結合光學顯微鏡，使 其探針位置偵測加強，提升原子力顯微鏡發展的潛力。
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原子力顯微鏡的種類
(2)非接觸式原子力顯微鏡 原子顯微鏡懸臂，是以振動的方式量測，當探針尖端
靠近樣品表時偵測其共振頻率或振動振幅的變化。此 時架設靈敏AC偵測架構俱有小於埃的垂直解析度。 由 於探針尖端與樣品之間的總力非常小約為(10負2次方 牛頓) ，所以常用於樣品的材質較軟或彈性較佳的材質 且因其是非接觸式所以可以量測 導體、非導體、半導體。 比較兩者接觸與非接觸的差異: 接觸:如果堅硬樣品表面部份有濃縮的水層，接觸式會 穿透液體層，會破壞樣品表面。 非接觸:並不會穿透液體層，所以也不會破壞樣品表面。
扫描隧道显微镜STM和原子力显微镜AFM分析技术PPT课件
3. 压电陶瓷
功能：精密控制针尖相对于样品的运动达 0.001nm，扫描精度要求高，用普通机械难以达 到，使用压电陶瓷作X，Y，Z扫描控制。
方式：通过在压电陶瓷上施加一定电压，使 它产生变形，驱动针尖运动。
材料：Pb(Ti,Zr)O3 (PZT), BaTiO3(BT) 形状：条状、双压电陶瓷片状、管状三种。
7. 在技术本身，SPM具有的设备相对简单、体积小、价 格便宜、对安装环境要求较低、对样品无特殊要求、制 样容易、检测快捷、操作简便等特点，同时SPM的日常 维护和运行费用也十分低廉。
-
9
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10
1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人 瞠目结舌的成果，他们在金属镍表面用35个惰性气 体氙原子组成“IBM”三个英文字母。
-
1μm
原子厚度 2~3原子层
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五、STM仪器设计
由STM主体，电子控制箱，计算机系统组成。
STM仪器不很复杂，但在设计中要解决许多技 术问题。
1. 振动隔绝系统
微小的振动都会对稳定性产生影响，因此应具 有好的减振效果。
由振动引起的d变化必须小于0.001nm。
减振措施：橡胶缓冲垫、弹簧悬挂、磁性涡流阻
3．可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是 对体相或整个表面的平均性质，因而可直接观察 到表面缺陷。表面重构、表面吸附体的形态和位 置，以及由吸附体引起的表面重构等．
AFM-原子力显微镜PPT课件
两种工作模式：恒高模式（保持样品与探针间的距离不变，
测量每一点作用力的大小）和恒力模式（保持样品和探针间作
用力不变，测量每一点高度的变化）。
14
• 检测微悬臂弯曲的方法：1－隧道电流法； 2－电容检测法；3－光学检测法（干涉法 和光束反射法）
• 选择检测方法的原则：检测方法本身对悬 臂产生的作用力应该小到可以忽略的程度。
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AFM的组成
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AFM成像原理
原子力显微镜是一种通过研究样品表
面力同距离关系而获得样品表面形貌信 息的显微术。它不使用STM的金属探针， 而使用一个尖端附有探针的极灵敏的弹 簧壁来作为敏感元件，称之为微悬臂。
将微悬臂的一端固定（对微弱力极敏
感），另一端有一微小的针尖，针尖与 样品表面轻轻接触。针尖尖端原子与样 品表面的原子间存在极其微弱的排斥力。 随后可通过以下两种工作模式中的任何 一种得到表面形貌有关的信息，然后经 过计算机采集、处理，最后成像。
• l986年，Binnig G在扫描隧道显微镜基础上进一 步提出了的原子力显微镜(AFM)。AFM可以测量 绝缘体表面形貌，达到接近原子分辨水平，还可 以测量表面原子间力，测量表面的弹性、塑性、 硬度、摩擦力等诸多性质。
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原子力显微镜（AFM）
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AFM的优点
➢ 具有原子级高分辨率，即可以分辨出单个原子，且放大倍 率连续可调（几百倍－上千倍）；与传统的电子显微镜， 特别是与扫描电子显微镜相比，它具有非常高的横向分辨 率（0.1-0.2 nm）和纵向分辨率（0.01 nm）。
原子力显微镜的原理及应用ppt课件
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提高图像分辨率
1、发展新的技术或模式来提高分辨率，即从硬件 设备以及成像机理上提高成像分辨率。如最近 Fuchs等发明的Q控制技术，可以提高成像分辨率 和信噪比。采用力调制模式或频率调制模式等也 可以有效提高成像分辨率。
2、选择尖端曲率半径小的针尖，减小针尖与样品 之间的接触面积，减小针尖的放大效应，以提高 分辨率。
位置检测部分： 在原子力显微镜（AFM）的系统中，当
针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬 臂（cantilever）摆动，所以当激光照射在 cantilever的末端时，其反射光的位置也会因 为cantilever摆动而有所改变，这就造成偏移 量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置 检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以 供控制器作信号处理。
2. 非接触模式（Non-Contact Mode）：作用力在引力范 围，包括范德华力、静电力或磁力等。
3. 轻敲模式（Tapping Mode） 4. Interleave模式（Interleave Normal Mode/Lift
Mode） 5. 力调制模式（Force Modulation Mode） 6. 力曲线模式（Force Curve Mode）
一般来说，如果针尖尖端的曲率半径远远 小于表面结构的尺寸，则针尖效应可以忽 略，针尖走过的轨迹基本上可以反映表面 结构的起伏变化。
提高图像分辨率
1、发展新的技术或模式来提高分辨率，即从硬件 设备以及成像机理上提高成像分辨率。如最近 Fuchs等发明的Q控制技术，可以提高成像分辨率 和信噪比。采用力调制模式或频率调制模式等也 可以有效提高成像分辨率。
2、选择尖端曲率半径小的针尖，减小针尖与样品 之间的接触面积，减小针尖的放大效应，以提高 分辨率。
位置检测部分： 在原子力显微镜（AFM）的系统中，当
针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬 臂（cantilever）摆动，所以当激光照射在 cantilever的末端时，其反射光的位置也会因 为cantilever摆动而有所改变，这就造成偏移 量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置 检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以 供控制器作信号处理。
2. 非接触模式（Non-Contact Mode）：作用力在引力范 围，包括范德华力、静电力或磁力等。
3. 轻敲模式（Tapping Mode） 4. Interleave模式（Interleave Normal Mode/Lift
Mode） 5. 力调制模式（Force Modulation Mode） 6. 力曲线模式（Force Curve Mode）
一般来说，如果针尖尖端的曲率半径远远 小于表面结构的尺寸，则针尖效应可以忽 略，针尖走过的轨迹基本上可以反映表面 结构的起伏变化。
原子力显微镜ppt课件
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
原子力显微镜的各类针尖
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
原子力显微镜 在细胞生物学中的应用
原子力显微镜对体外动态细胞的分析具有非 凡的能力。
这些研究大都把样品直接放置在玻片上，不 需要染色和固定，样品制备和操作环境相当简单。
使用原子力显微镜观察生化过程
可运用原子力显微镜观察转录过程。但是， 要用原子力显微镜观察DNA分子的转录过程，就 必须解决一个问题。利用原子力显微镜观察样品 时，样品必须固定在基底，但是，转录是由DNA 经过碱基配对生成RNA的过程，该过程必定是动 态的。
第五章原子力显微镜ppt课件
敲击成像模式
敲击式AFM与非接触式AFM比较相似，但它比 非接触式AFM有更近的样品与针尖距离．和非接触 式AFM一样，在敲击模式中，一种恒定的驱动力使 探针悬臂以一定的频率振动(一般为几百千赫)．振 动的振幅可以通过检测系统检测．当针尖刚接触到 样品时，悬臂振幅会减少到某一数值．在扫描样品 的过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒 定．当针尖扫描到样品突出区域时．悬臂共振受到 阻碍变大，振幅随之减小．相反，当针尖通过样品 凹陷区域时，悬臀振动受到的阻力减小，振幅随之 增加。悬臂振幅的变化经检测器检测并输入控制器 后，反馈回路调节针尖和样品的距离，使悬臂振幅 保持恒定．反馈调节是靠改变Z方向上压电陶瓷管 电压完成的。当针尖扫描样品时，通过记录压电陶 瓷管的移动就得到样品表面形貌图。
电子线路系统起到计算机与扫描系统相连接的作用，电子 线路为压电陶瓷管提供电压、接收位置敏感器件传来的信号， 并构成控制针尖和样品之间距离的反馈系统。
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
二、 原子力显微镜的分辨率
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
一、 原子力显微镜原理
AFM的原理较为简单，它是用微小探针“摸索” 样品表面来获得信息．如图3.1所示，当针尖接近样 品时，针尖受到力的作用使悬臂发生偏转或振幅改 变．悬臂的这种变化经检测系统检测后转变成电信 号传递给反馈系统和成像系统，记录扫描过程中一 系列探针变化就可以获得样品表面信息图像．下面 分别介绍检测系统、扫描系统和反馈控制系统。
敲击式AFM与非接触式AFM比较相似，但它比 非接触式AFM有更近的样品与针尖距离．和非接触 式AFM一样，在敲击模式中，一种恒定的驱动力使 探针悬臂以一定的频率振动(一般为几百千赫)．振 动的振幅可以通过检测系统检测．当针尖刚接触到 样品时，悬臂振幅会减少到某一数值．在扫描样品 的过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒 定．当针尖扫描到样品突出区域时．悬臂共振受到 阻碍变大，振幅随之减小．相反，当针尖通过样品 凹陷区域时，悬臀振动受到的阻力减小，振幅随之 增加。悬臂振幅的变化经检测器检测并输入控制器 后，反馈回路调节针尖和样品的距离，使悬臂振幅 保持恒定．反馈调节是靠改变Z方向上压电陶瓷管 电压完成的。当针尖扫描样品时，通过记录压电陶 瓷管的移动就得到样品表面形貌图。
电子线路系统起到计算机与扫描系统相连接的作用，电子 线路为压电陶瓷管提供电压、接收位置敏感器件传来的信号， 并构成控制针尖和样品之间距离的反馈系统。
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
二、 原子力显微镜的分辨率
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
一、 原子力显微镜原理
AFM的原理较为简单，它是用微小探针“摸索” 样品表面来获得信息．如图3.1所示，当针尖接近样 品时，针尖受到力的作用使悬臂发生偏转或振幅改 变．悬臂的这种变化经检测系统检测后转变成电信 号传递给反馈系统和成像系统，记录扫描过程中一 系列探针变化就可以获得样品表面信息图像．下面 分别介绍检测系统、扫描系统和反馈控制系统。
原子力显微镜 ppt课件
3原子力显微镜在膜科学中的应用
AFM出现前，电子显微镜是微电子学的标准研 究工具，它的分辨率可以达到几个纳米量级。 但是要求在样品表面涂覆金属并在真空中成象 ，三维分辩能力差，而且发射的高能电子可会 损坏样品而造成偏差。尤其是对活性样品电子 显微镜完全不能胜任。而AFM分辨率可以达到 原子量级，且对操作环境和样品制备没有特殊 的要求，其在膜技术中的应用自然就更为普遍 和广泛。
3光栅的纳米结构图像
我们对一维标准光栅进行了三种不同范围的扫 描实验，在三幅图像中分别应该存在8，4，2 个光栅周期，正如我们在扫描图像中所见到的 。实验结果表明本系统精确无误的良好性能。
快速成像
AFM能对样品进行快速扫描成像。传统AFM在 快速扫描中会出现图像的拉伸，导致成像质量降 低。经测试，对400X400像素的图像，扫描速度 最快可以达到15行／秒。
本节分别对多孔氧化铝、二维光栅和金属玻璃 进行了慢速高分辨率的扫描成像实验，成功获 得样品表面微纳米结构图，实验结果表明该系 统具有传统AFM分辨率高、重复性好等优良性 能。
1多孔氧化铝的扫描成像
多孔氧化铝是一种受到广泛关注的纳米测量样 品。它是一个很好的模板，可以用来制作纳米 尺度的各种纳米器件，包括电子的、光电子和 磁性的器件而且，它的纳米尺寸孔具有很大的 长径比(长度和直径的比值)，这种有序微小的 结构是天然形成的，很难用光刻实现。
原子力显微分析(AFM)
2 AFM工作原理
图3.16(a)是利用隧道电流检测微 悬臂偏转的AFM结构原理图。图中A 是 AFM 的 待 测 样 品 ， B 是 AFM 的 针 尖，C是STM的针尖，D是微悬臂， 又是STM的样品。E是使微杠杆发生 周期振动的调制压电晶体，用于调 制隧道结间隙，F为氟橡胶。
利用STM的AFM
3.1 接触式成像模式
接触模式(Contact Mode)是AFM的常 规操作模式，如图3-10(a)。在接触模式 中利用的是原子间斥力，针尖和样品之 间的距离只有几个埃，产生的范德瓦尔 斯力大约0.1～1000nN。
接触模式也有两种工作模式：恒力 模式和恒高模式。
3.1 接触式成像模式 在恒力模式(Constant Force Mode)
3.3 轻敲式成像模式
轻敲模式同样适合在液体中操作， 而且由于液体的阻尼作用，针尖与样品 的剪切力更小，对样品的损伤也更小， 始于对活性生物样品进行现场检测、对 溶液反应进行现场跟踪；对于一些与基 底结合不牢固的样品，轻敲模式与接触 模式相比，很大程度地降低了针尖对表 面结构的“搬运效应”。
3.4 插行扫描(Interleave) 模式 3.5 力调制模式
4. 纳米材料研究中的AFM
4. 纳米材料研究中的AFM 4.1 AFM的样品制备 4.2 纳米材料的形貌测定 4.3 纳米尺度的物性测量 4.4 纳米结构加工
原子力显微镜的原理及应用ppt课件
11
接触式原子力显微镜
• 接触式AFM是一个排斥性的模式，探针尖 端和样品做柔软性的“实际接触”，当针 尖轻轻扫过样品表面时，接触的力量引起 悬臂弯曲，进而得到样品的表面图形。
• 由于是接触式扫描，在接触样品时可能会 是样品表面弯曲。
• 经过多次扫描后，针尖或者样品有钝化现 象。
12
特点：
• 通常情况下，接触模式都可以产生稳定的 、分辨率高的图像。但是这种模式不适用 于研究生物大分子、低弹性模量样品以及 容易移动和变形的样品。
在原子力显微镜的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检 测部分、反馈系统。
25
力检测部分： 在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的
力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是 使用微小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变 化量。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、 弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照 样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型 的探针。
17
间歇接触式原子力显微镜
• 微悬臂在其共振频率附近做受迫振动，振 荡的针尖轻轻的敲击表面，间断地和样品 接触。当针尖与样品不接触时，微悬臂以 最大振幅自由振荡。当针尖与样品表面接 触时，尽管压电陶瓷片以同样的能量激发 微悬臂振荡，但是空间阻碍作用使得微悬 臂的振幅减小。反馈系统控制微悬臂的振 幅恒定，针尖就跟随表面的起伏上下移动 获得形貌信息。
接触式原子力显微镜
• 接触式AFM是一个排斥性的模式，探针尖 端和样品做柔软性的“实际接触”，当针 尖轻轻扫过样品表面时，接触的力量引起 悬臂弯曲，进而得到样品的表面图形。
• 由于是接触式扫描，在接触样品时可能会 是样品表面弯曲。
• 经过多次扫描后，针尖或者样品有钝化现 象。
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特点：
• 通常情况下，接触模式都可以产生稳定的 、分辨率高的图像。但是这种模式不适用 于研究生物大分子、低弹性模量样品以及 容易移动和变形的样品。
在原子力显微镜的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检 测部分、反馈系统。
25
力检测部分： 在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的
力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是 使用微小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变 化量。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、 弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照 样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型 的探针。
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间歇接触式原子力显微镜
• 微悬臂在其共振频率附近做受迫振动，振 荡的针尖轻轻的敲击表面，间断地和样品 接触。当针尖与样品不接触时，微悬臂以 最大振幅自由振荡。当针尖与样品表面接 触时，尽管压电陶瓷片以同样的能量激发 微悬臂振荡，但是空间阻碍作用使得微悬 臂的振幅减小。反馈系统控制微悬臂的振 幅恒定，针尖就跟随表面的起伏上下移动 获得形貌信息。
扫描电子显微镜(SEM)与原子力显微镜(AFM)只是课件
烟草花叶病毒
半结晶聚合物微结构
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SEM图像
AFM图像
AFM技术可得到样品表面形貌结构的三维图像，并能测 量样品的三维信息，如左图，可准确地测出两个位置的高度 差。
由于AFM图像的纵向分辨率小于0. 01 nm,它能区分原子 级表面变化，可计算出样品表面的粗糙度，如右图，但是， 在原子级表面，SEM技术非常难检测样品表面细微的高度变 化。
扫描电子显微镜(SEM)与原子力 显微镜(AFM)
SEM技术的图像，扫描范围较大，可达数mm× mm，具 有较大的景深，可达数微米。
AFM技术的最大扫描范围100μm× 100μm，景深仅为数 微米。
在较大扫描范围(μm或mm级)，SEM的图像质量优于AFM；而在进 行小范围扫描时，尤其是nm级的扫描范围，AFM的图像明显优于SEM。
AFM样品中纵向测量
AFM样品表面粗糙度测量
扫描电子显微镜(SEM）的应用
玻璃纤维
含油的砂岩
生物样品形貌
纳米结构材料形貌
材料表面形貌
原子力显微镜（AFM）的应用
用AFM针尖移动Si原子形成的IBM文字
云母的原子像 （接触模式）
DVD光盘表面 （接触模式）
DNA
霍乱菌
蓝蝴蝶翅膀
云母片上的 百度文库体分子
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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百度文库力为主的吸引力，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。
微悬臂和探针
微悬臂
STM 驱动
显示器
计算机 及控制器
试件 压电扫描器
8
立式AFM ( Hansma等,
1988 )
原子力显微镜后来又经过多 次改进，现代的AFM不仅有原子级 的分 辨 率(纵 向 0.01nm， 横 向 0.1 nm)，针尖对试件的作用力极小， 基本不划伤试件，能测量软质试件， 而且具有多项新的测量功能
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。
11
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
6
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。
7
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
13
3）轻敲扫描成像模式
AFM轻敲扫描针尖振荡示意图
14
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
针类—试件间电容 玻璃上水膜 针尖和试件间凹面
液固界面力
相互作用距离
~0.1m ~10－7m ~10－7m ~10－3m ~10－9m ~10－7m
(tapping mode)
AFM的三种扫描成像模式
12
1）接触扫描成像模式
该方式所感知的力是接触原子的外层电子相互排斥的库仑力，这相互排斥的库仑 力大小在10－8～10－11 N。该方式可以稳定地获得高分辨率试件表面微观形貌图像， 有可能达到原子级的测量分辨率。其缺点如下： （1）检测弹性模量低的软质试件时，试件表层在针尖力的作用下会产生变形，甚至 划伤，这将使测出的表面形貌图像出现假象。 （2）在大气条件下，多数试件表面都吸附着覆盖层（凝集水蒸气，有机污染物，氧 化层等），厚度一般为几nm。当探针尖接触这吸附层时，毛细现象会使吸附层下凹， 或粘附到针尖上，引起额外的粘附力，增加了总的作用力，造成了检测成像的畸变。 （3）针尖和试件接触并滑行，容易使探针尖磨损甚至损坏。
固体材料实验方法
——原子力显微镜
1
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）
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
2
• 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
9
3. 原子力显微镜的总体结构组成
10
3.2 原子力显微镜的测量和扫描模式
1. AFM检测的要求
探针尖和试件表面非常接近时，二者间的作用力极为复杂，有原子(分子、离子) 间的排斥力(库仑力)、吸引力(范德华力)、磁力、静电力、摩擦力(接触时)、粘附力、 毛细力等。AFM的检测成像用的是原子(分子、离子)间的排斥力(接触测量)或吸引力 (非接触测量)，而其他各种作用力对AFM的检测成像并无帮助，而只是起干扰影响作 用。
3
AFM的优点
STM 的探针是由针尖与样品之间的隧道电流的变化决 定的, STM要求样品表面能够导电，只能直接观察导体 和半导体的表面结构。 对于非导电的物质则要求样品 覆盖一层导电薄膜，但导电薄膜的粒度和均匀性难以 保证，且掩盖了物质表面的细节。
原子力显微镜利用原子之间的范德华力来呈现样品的表 面特性。因此，AFM 除导电样品外，还能够观测非导电 样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆盖，其应用领 域将更为广阔。
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
针尖一试件间（R>>Z） 跳跃接触 针尖试件接触
~10－8m ~10－9m ~10－10m ~10－15m
~10－15m
15
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）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)；
4
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,
5
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。
非接触扫描模式测量时，测量的作用力是以范德百度文库力为主的吸引力，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。
微悬臂和探针
微悬臂
STM 驱动
显示器
计算机 及控制器
试件 压电扫描器
8
立式AFM ( Hansma等,
1988 )
原子力显微镜后来又经过多 次改进，现代的AFM不仅有原子级 的分 辨 率(纵 向 0.01nm， 横 向 0.1 nm)，针尖对试件的作用力极小， 基本不划伤试件，能测量软质试件， 而且具有多项新的测量功能
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。
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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
6
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。
7
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
13
3）轻敲扫描成像模式
AFM轻敲扫描针尖振荡示意图
14
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
针类—试件间电容 玻璃上水膜 针尖和试件间凹面
液固界面力
相互作用距离
~0.1m ~10－7m ~10－7m ~10－3m ~10－9m ~10－7m
(tapping mode)
AFM的三种扫描成像模式
12
1）接触扫描成像模式
该方式所感知的力是接触原子的外层电子相互排斥的库仑力，这相互排斥的库仑 力大小在10－8～10－11 N。该方式可以稳定地获得高分辨率试件表面微观形貌图像， 有可能达到原子级的测量分辨率。其缺点如下： （1）检测弹性模量低的软质试件时，试件表层在针尖力的作用下会产生变形，甚至 划伤，这将使测出的表面形貌图像出现假象。 （2）在大气条件下，多数试件表面都吸附着覆盖层（凝集水蒸气，有机污染物，氧 化层等），厚度一般为几nm。当探针尖接触这吸附层时，毛细现象会使吸附层下凹， 或粘附到针尖上，引起额外的粘附力，增加了总的作用力，造成了检测成像的畸变。 （3）针尖和试件接触并滑行，容易使探针尖磨损甚至损坏。
固体材料实验方法
——原子力显微镜
1
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）
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
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• 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
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3. 原子力显微镜的总体结构组成
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3.2 原子力显微镜的测量和扫描模式
1. AFM检测的要求
探针尖和试件表面非常接近时，二者间的作用力极为复杂，有原子(分子、离子) 间的排斥力(库仑力)、吸引力(范德华力)、磁力、静电力、摩擦力(接触时)、粘附力、 毛细力等。AFM的检测成像用的是原子(分子、离子)间的排斥力(接触测量)或吸引力 (非接触测量)，而其他各种作用力对AFM的检测成像并无帮助，而只是起干扰影响作 用。
3
AFM的优点
STM 的探针是由针尖与样品之间的隧道电流的变化决 定的, STM要求样品表面能够导电，只能直接观察导体 和半导体的表面结构。 对于非导电的物质则要求样品 覆盖一层导电薄膜，但导电薄膜的粒度和均匀性难以 保证，且掩盖了物质表面的细节。
原子力显微镜利用原子之间的范德华力来呈现样品的表 面特性。因此，AFM 除导电样品外，还能够观测非导电 样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆盖，其应用领 域将更为广阔。
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
针尖一试件间（R>>Z） 跳跃接触 针尖试件接触
~10－8m ~10－9m ~10－10m ~10－15m
~10－15m
15
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）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)；
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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,
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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。