扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术

接触模式 (contact mode) 非接触模式 (non-contact mode)
轻敲模式 (tapping / intermittent contact mode)
van der Waals force curve
工作模式-接触模式
van der Waals force curve
主要内容
发展历史 工作原理 应 用
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
……
生物和生命科学
用AFM观察DNA双螺旋结构
生物和生命科学
用AFM观察细胞生长
微电子科学和技术
Baidu Nhomakorabea
用AFM观察集成电路的线路刻蚀情况
高分子领域的应用
聚合物膜表面形貌与相分离观察
高分子结晶形态观察
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。
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
1 表面整体形态研究


Atomic force microscopy (AFM)
Lateral Force Microscopy (LFM)
Magnetic Force Microscopy (MFM)
Electrostatic Force Microscopy (EFM) Chemical Force Microscopy (CFM) Near Field Scanning Optical Microscopy (NSOM)
d ＜０.０３nm
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。
工作模式-接触模式
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。
原子力显微镜
Atomic Force Microscopy
主要内容
发展历史 基本原理 应 用
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。

scanning tunneling Microscopy (STM， 1982)
工作模式-非接触模式
van der Waals force curve
d: 5~20nm 振幅：2nm～5nm
范德华吸引力
相互作用力是范德华吸引力，远小于排斥力. 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。
工作模式-非接触模式
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。
基本原理
氮化硅探针针尖放大图
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
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.
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。
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 (phase imaging)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。
膜污染研究-超滤膜或微滤膜
新膜表面三维图 X —1μ m/ 格; Z —50 nm/ 格
污染膜表面三维图 X —1μ m/ 格; Z —2 000 nm/ 格
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。

THE END！
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
相位成像(phase imaging)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.
基本原理
基本原理
基本原理 原子力显微镜之解析度
基本原理
基本原理
工作模式-轻敲模式
振幅：5nm ～100nm
van der Waals force curve
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。
工作模式-轻敲模式
特点：
1）分辨率几乎同接触模式一样好；
基本原理
1986，IBM，葛· 宾尼（G. Binnig）发明了原子力 显微镜(Atomic Force Microscope ,AFM)——新一代 表面观测仪器．
原理：利用原子之间的范德华力（Van Der Waals
Force）作用来呈现样品的表面特性
基本原理
F pair
排斥部分
d 吸引部分 原子 原子 原子
排斥力
原子
吸引力
原子间的作用力
微悬臂
laser diode photo detector
激光二极管
光电检测器
cantilever
sample
scanner
基本原理
基本原理
AFM信号反馈模式
微悬臂位移量的检测方式
仪器构成
压电扫描系统 力检测部分 光学检测部分 反馈电子系统 计算机控制系统
工作模式
2 孔径(分布),粒度（分布）研究
Section analysis of TM-AFM image.
Tapping mode atomic force micrographs
3 粗糙度研究
粗糙度（Surface roughness）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。