原子力显微镜原理及操作流程讲义

原子力显微镜SPM-9500
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3.AFM的基本原理
当样品在针尖下面扫描时， 同距离密切相关的针尖-样品 相互作用会引起微悬臂的形变， 微悬臂的形变是对样品-针尖 相互作用的直接反映。通过检 测微悬臂产生的弹性形变量ΔZ, 就可以根据微悬臂的弹性系数 ｋ和函数式Ｆ=k·ΔZ直接求出 样品-针尖间相互作用Ｆ。再 利用照射在悬臂尖端的激光束 的反射接收来检测微悬臂的形 变。
5.2 非接触模(Non-contact Mode)
非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方 5～10 nm 的距离处振荡。样品与针尖之间的相互作用由范德
华力控制，通常为 10N12，样品不会被破坏，而且针尖也不
会被污染，适合于研究柔嫩物体的表面。此模式的不利之处 是要在室温大气环境下完成。针尖-样品距离在几到几十纳米 的吸引力区域，对应图3中的3-4段。由于针尖-样品距离较大， 因此分辨率比接触式的低。到目前为止，非接触模式通常不 适合在液体中成像， 在生物样品的研究中也不常见。
5.3 轻敲模式(Tapping Mode)
• 轻敲模式是上述两种模式之间的扫描方式。扫描时，在 共振频率附近以更大的振幅(>20nm)驱动微悬臂，使得针尖 与样品间断地接触。当针尖没有接触到表面时，微悬臂以一 定的大振幅振动，当针尖接近表面直至轻轻接触表面时，振 幅将减小；而当针尖反向远离时, 振幅又恢复到原值。作用 在样品上的力保持恒定。由于针尖同样品接触，分辨率几乎 与接触模式一样好；又因为接触非常短暂，剪切力引起的样 品破坏几乎完全消失。轻敲模式适合于分析柔软、粘性和脆 性的样品，并适合在液体中成像 。
4.4 光电检测与反馈系统
目前AFM探测悬臂微形变的主要方法：光束 偏转法 用一束激光照在微悬臂的尖端，而用位置灵 敏光检测器(PSPD)来接收悬臂尖端的反射激光束， 并输出反映反射光位置的信号。由于悬臂的形变 会引起反射光束的偏移，导致反射光在PSPD上位 置的变化，进而产生反应悬臂的形变的电讯号， 以供调节压电扫描器的伸缩控制。
[Scanning Condition ]子窗口； C.点击[Oscilloscope]前的对勾出现[Left
Oscilloscope]波动图像窗口并拖动其至右下方； D.点击[SPM Online]窗口中[Setting]- [Y Scan
Start]- [Top]设置扫描探针自上而下扫描，点击[Panel Display]出现[Signal Display Panel]窗口，将垂直 [Vertical Deflection]用垂直齿轮调至-2，将水平 [Horizontal Deflection]用水平齿轮调至0，反复调节至少 3次后，关闭窗口。
以光学显微镜、电子显微镜、扫描隧道显微镜为代表的 一系列先进显微技术的出现与应用，为人类科技和社会进步 做出了巨大贡献。1986年，IBM公司的 G.Binning 和斯坦福大 学的 C.F.Quate 及C. Gerber 合作发明的原子力显微镜(Atomic ForceMicroscope, AFM)更为突出地显现了显微观测技术对人 类的重要性， 它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。并以高分辨、 制样简单、操作易行等特点在生命科学、材料科学等领域发 挥了重大作用，推动了纳米科技的发展，促使人类进入了纳 米时代。
3、轻敲模式（Tapping Mode）： 优点：很好的消除了横向力的影响。降
低了由吸附液层引起的力，图像分辨率高， 适于观测软、易碎、或胶粘性样品，不会损 伤其表面。
缺点：比Contact Mode AFM 的扫描速度 慢。
6.AFM的功能
6.1 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。由于表面的高低起伏状态能够准确 地以数值的形式获取，对表面整体图像进行分析可得到样品 表面的粗糙度Roughness)、颗粒度(Granularity)、平均梯 度(StepHeight)、孔结构和孔径分布等参数；对小范围表面 图像分析还可得到表面物质的晶形结构、聚集状态、分子的 结构、面积和表面积及体积等；通过一定的软件也可对样品 的形貌进行丰富的三维模拟显示如等高线显示法、亮度-高 度对应法等，亦可转换不同的视角，让图像更适于人的直观 视觉。
微悬臂是探测样品的直接工具，它的属 性直接关系到仪器的精度和使用范围。 微悬 臂必须有足够高的力反应能力，这就要求悬 臂必须容易弯曲，也易于复位，具有合适的 弹性系数，使得零点几个纳(nN)甚至更小的力 的变化都可以被探测到；同时也要求悬臂有 足够高的时间分辨能力，因而要求悬臂的共 振频率应该足够高，可以追随表面高低起伏 的变化。
4.3 压电扫描系统
压电换能器是能将机械作用和电讯号互相转换 的物理器件。它不仅能够使样品在XY扫描平面内精 确地移动，也能灵敏地感受样品与探针间的作用， 同时亦能将反馈光路的电讯号转换成机械位移，进 而灵敏地控制样品和探针间的距离(力)，并记录因扫 描位置的改变而引起的Z向伸缩量Δh(x,y)。这样，就 实现了对样品的表面扫描。 常见扫描器的最小分辨率0.1nm×0.1nm×0.01nm。
2.AFM简介
原子力显微镜（Atomic Force Microscope ， 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。
5.4三种模式的比较
1、接触模式（Contact Mode）： 优点：扫描速度快，是唯一能够获得“原子分
辨率”图像的AFM垂直方向上有明显变化的质硬样品， 有时更适于用Contact Mode扫描成像。
缺点：横向力影响图像质量在空气中，因为样 品表面吸附液层的毛细作用使针尖与样品之间的粘 着力很大，横向力与粘着力的合力导致图像空间分 辨率降低，而且针尖挂擦样品会损坏软质样品（如 生物样品，聚合体等）。
AFM样品台示意图
[SPM Online]工作窗口
由于光杠杆作用原理，即使小于0.01nm的微悬臂形变 也可在光电检测器上产生10nm左右的激光点位移，由此产 生的电压变化对应着微悬臂的形变量，通过一定的函数变 换便可得到悬臂形变量的测量值。当样品在XY平面内扫描 时(对某一点其坐标为[x,y])若保持样品在Z轴方向静止，且 令探针的竖直初始位置为零，则可根据针尖-样品相互作用 与间距的关系得到样品表面的高度变化信息Δh(x,y)，即样 品表面任意点(x,y)相对于初始位点的高度。对样品表面进 行定域扫描便可得到此区域的表面形貌A=A(x,y, Δh(x,y))。
5.AFM成像模式及特点
原子力显微镜的操作模式分为三大类型：接触 模式(Contact Mode)、非接触模式(Non-contact Mode) 和轻敲模式(Tapping Mode)。图3给出了AFM不同操 作模式在针尖和样品相互作用力曲线中的工作区间 和力属性。
5.1 接触模式(Contact Mode)
根据上述两个要求，微悬臂的尺寸必须在
微米的范围，而位于微悬臂末端的探针则在
10nm左右，而其上针尖的曲率半径约为30nm， 悬臂的固有频率则必须高于10kHz。通常使用 的微悬臂材料是Si3N4。其弹性系数k=3 =9.57EI L3，其中Em,fI分2 别为杨氏模量、转动惯 量，L,m,f分别是微悬臂的长度、质量和共振 频率。微悬臂的劲度常数一般为4× --2.01N0/3 ｍ。
6.2 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。通过分析针尖-样品作用力， 就能够了解样品表面区域的各种性质如压弹性、粘弹性、硬 度等物理属性；若样品表面是有机物或生物分子，还可通过 探针与分子的结合拉伸了解物质分子的拉伸弹性、聚集状态 或空间构象等物理化学属性；若用蛋白受体或其它生物大分 子对探针进行修饰(functionization)，探针则会具有特定 的分子识别功能，从而了解样品表面分子的种类与分布等生 物学特性。
原子力显微镜
岛津SPM--9500
原子力显微镜
1.研究背景 2.AFM简介 3.AFM的基本原理 4.AFM主要构件及功能 5.AFM成像模式及特点 6.AFM的功能
7.对样品的要求 8.AFM操作流程 9.注意事项 10.AFM应用领域 11.AFM在生命科学中的 应用 12.AFM应用前景
1.研究背景
7.对样品的要求
(1）研究对象：有机固体、聚合物以及生物大分子等； （2）样品的载体：云母片、玻璃片、石墨、抛光硅片、二 氧化硅和某些生物膜等。最常用的是新剥离的云母片，因为 其非常平整且容易处理；抛光硅片最好用浓硫酸与30%双氧 水的7∶3 混合液在90 ℃下煮1h；利用电性能测试时需要导 电性能良好的载体，如石墨或镀有金属的基片。 （3）样品的厚度：最大为10 mm。 （4）样品的大小及重量：试样的大小以不大于试样台的大 小（直径20 mm）为标准，最大值约为40 mm。样品不宜过重， 如果过重，有时会影响Scanner的动作。
接触模式是AFM最直接的成像模式。样品扫描 时，针尖始终同样品“接触”，而相互作用力是排 斥力。扫描时，悬臂施加在针尖上的力有可能破坏
试样的表面结构，因此力的大小范围在1010～106
N。若样品表面柔嫩而不能承受这样的力，便不宜选 用接触模式对样品表面进行成像。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，对应图3中的1-2段。
4.AFM主要构件及功能
（1）为反馈光路提供光源的激光系统 (Laser) ； （2）进行力 - 距离反馈的微悬臂系统 (Cantilever)； （3）执行光栅扫描和Z轴定位的压电扫描器 (x,y,z Piezo-scanner)； （4）接收光反馈信号的光电探测器 (Detector)；
（5）反馈电子线路(CurrentCircle)； （6）粗略定位系统； （7）防震防噪声系统； （8）计算机控制系统与数据处理软件； （9）样品探测环境控制系统(湿控、温控、气环境 控制等)； （10）监控激光-悬臂-样品相对位置的显微及CCD 摄像系统。
2、非接触模式（Non-Contact Mode）： 优点：没有力作用于样品表面。 缺点：由于针尖与样品分离，横向分辨率低；为
了避免接触吸附层而导致针尖胶粘，其扫描速度低 于Tapping Mode和Contact Mode AFM。通常仅用于 非常怕水的样品，吸附液层必须薄，如果太厚，针 尖会陷入液层，引起反馈不稳，刮擦样品。由于上 述缺点，on-contact Mode的使用受到限制。
8.AFM操作流程
（1）启动仪器：
接通电源，先打开控制器，再打开AFM主机；
开启计算机并双击SPM--9500打开软件（待主机的
READY键变亮稳定后）；
预热20—30分钟；
（2）放样品：
待信号为5个以上时，将待测样品用镊子轻轻
放入样品台；
（3）软件设置： A.打开软件后出现[SPM Manager]窗口； B.单击窗口中的online按钮出现[SPM Online]窗口及
其中，前四大系统是该仪器的核心部件。
4.1 激光系统
激光器是光反馈通路的信号源。由于悬 臂尖端的空间有限性，就对照射器上的光束 宽度提出了一定要求：足够细、单色性好、 发散程度弱；同时也要求光源的稳定性高， 可持续运行时间久，工作寿命长。 而激光正 是能够很好地满足上述条件的光源。
4.2 微悬臂系统