光电功能材料(王春雷)课程论文

目录

目录 (2)

原子力显微镜的基本原理和应用实例 (3)

一、基于STM概念上的AFM的发展概述 (3)

二、AFM的工作原理和工作模式 (3)

(1) AFM的工作原理 (3)

(2) AFM的工作模式 (4)

(3) AFM中针尖与样品之间的作用力 (5)

三、AFM在材料分析领域的应用 (6)

(1) 高分子结晶形态观察 (6)

(2) 非晶态单链高分子结构观察 (7)

四、小结 (8)

参考文献 (9)

附录： (10)

Imaging of Dynamic Viscoelastic Properties of a Phase-Separated Polymer Surface by Forced Oscillation Atomic Force Microscopy (10)

原子力显微镜及其应用 (13)

原子力显微镜在高分子领域的应用 (18)

原子力显微镜的基本原理和应用实例

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摘要：本文简要介绍了原子力显微镜的发展,阐述了原子力显微镜的工作原理、工作模式及工作中针尖与样品之间的作用力，并对其在高分子结晶形态观察和非晶态单链高分子结构观察这两个领域的应用作了综述。

关键字：原子力显微镜，针尖，高分子结晶，非单链高分子

一、基于STM概念上的AFM的发展概述

在当今的科学技术中,如何观察、测量、分析尺寸小于可见光波长的物体,是一个重要的研究方向.1933年德国Ruska和Knoll研制了第一台电子显微镜.继后,许多用于表面结构分析的现代仪器问世.如透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、场离子显微镜(FIM)、俄歇电子能谱仪(AES)、光电子能谱(ESCA)等,但是多数技术都无法真正地直接观测物体的微观世界.1982年, Gerd Binnig和Heinrich Rohrer在IBM公司苏黎世实验室共同研制成功了第一台扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope, STM)[1],使人们首次能够真正实时地观察到单个原子在物体表面的排列方式和与表面电子行为有关的物理、化学性质[2]. STM的工作原理是基于量子理论中的隧道效应.将原子线度的极细探针和被研究的样品的表面作为两个电极,当样品的表面与探针针尖的距离非常近时(一般小于1nm),在外加电场作用下,电子会穿过两个电子之间的势垒流向另一电极,从而产生隧道效应.STM的探针是由针尖与样品之间的隧道电流的变化决定的,因此STM要求样品表面能够导电,从而使得STM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,且导电薄膜掩盖了物质表面的细节.为了克服STM的不足之处, Binnig, Quate和Gerber决定用微悬臂作为力信号的传播媒介，把微悬臂放在样品和STM的针尖之间,于1986年推出了原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)[3] .AFM是通过探针与被测样品之间微弱的相互作用力(原子力)来获得物质表面形貌的信息.因此,AFM除导电样品外,还能够观测到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. 它得到的是对应于样品表面总电子密度的形貌,可以补充STM对样品观测得到的信息,且分辨率亦可达原子级水平[4].正如Binnig在研制出AFM之初时所指出的那样:”该仪器能测出小到单个原子间的相互作用力,若在低温条件下,甚至能检测10-18 N的微小作用力”[5].1988年,国外开始对AFM进行改进,研制出了激光检测原子力显微镜(Laser-AFM)[6-8].我国中国科学院化学所白春礼等人在1988年初成功地研制了国内第一台集计算机控制、数据分析和图像处理系统于一体的扫描隧道显微镜(STM).在同年底又研制出我国第一台原子力显微镜(AFM),其性能一下子就达到原子级分辨率.后来又在已有的STM和AFM的基础上[9,10],成功地研制出国内首台全自动Laser-AFM[11],其横向分辨率为0.13nm.以STM和AFM为基础,衍生出了一系列的扫描探针显微镜(scanning probe microscope, SPM),有激光力显微镜(LFM)、磁力显微镜(MFM)、扫描电化学显微镜(SECM)、近光光学显微镜(SNOM)、弹道电子发射显微镜(BEEM)、扫描离子电导显微镜(SICM)等.

扫描探针显微镜(SPM)标志着对物质表面在纳米级上成像和分析的一个新技术领域的诞生,必将为纳米技术的发展注入新的活力.

二、AFM的工作原理和工作模式

(1)AFM的工作原理

AFM的工作原理结构示意图见图1.

图1 AFM工作原理

在AFM中用一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂上的极细探针代替STM中的简单的金属极细探针.当探针与样品接触时,由于它们原子之间存在极微弱的作用力(吸引或排斥力),引起微悬臂偏转.扫描时控制这种作用力恒定,带针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的等位面,在垂直于样品表面方向上起伏运动,通过光电检测系统(通常利用光学、电容或隧道电流方法)对微悬臂的偏转进行扫描,测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化,将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像.

AFM的核心部件是力的传感器件,包括微悬臂(Cantilever)和固定于其一端的针尖.

根据物理学原理,施加到Cantilever末端力的表达式为[12]

F=KΔZ

式中, ΔZ表示针尖相对于试样间的距离,K为Cantilever的弹性系数.

力的变化均可以通过Cantilever被检测.根据力的检测方法,AFM可以分成两类:一类是检测探针的位移;另一类是检测探针的角度变化[3,7].由于后者在Z方向上的位移是通过驱动探针来自动跟踪样品表面形状,因此受到样品的重量及形状大小的限制比前者小.

微悬臂和针尖是决定AFM灵敏度的核心.为了能够准确地反映出样品表面与针尖之间微弱的相互作用力的变化,得到更真实的样品表面形貌,提高AFM的灵敏度,微悬臂的设计通常要求满足下述条件:1、较低的力学弹性系数,使很小的力就可以产生可观测的位移; 2、较高的力学共振频率;3、高的横向刚性,针尖与样品表面的摩擦不会使它发生弯曲;4、微悬臂长度尽可能短;5、微悬臂带有能够通过光学、电容或隧道电流方法检测其动态位移的镜子或电极;6、针尖尽可能尖锐.AFM仪器的发展,也可以说是微悬臂和针尖不断改进的过程.一般AFM采用微机机械加工技术制作的硅、氧化硅及氮化硅(Si3N4)微悬臂.但近年来,日、美等国相继展开了把压电微悬臂代替普通微悬臂用于AFM的研究,取得了很好的效果.我国在这方面的工作也得到了重视.

(2)AFM的工作模式

AFM有三种不同的工作模式:接触模式(contact mode)、非接触模式(noncontact mode)和共振模式或轻敲模式(Tapping Mode).

1、接触模式

接触模式包括恒力模式(constant-force mode)和恒高模式(constant-height mode).在恒力模式中,通过反馈线圈调节微悬臂的偏转程度不变,从而保证样品与针尖之间的作用力恒定,当沿x、y方向扫描时,记录Z方向上扫描器的移动情况来得到样品的表面轮廓形貌图像.这种模式由于可以通过改变样品的上下高度来调节针尖与样品表面之间的距离,这样样品的高度