afm原子力显微镜简介

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原子力显微镜的概述

原子力显微镜的概述
原子力显微镜是以扫描隧道显微镜基本原理发展起来的扫描探针
显微镜。

原子力显微镜的出现无疑为纳米科技的发展起到了推动作用。

原子力显微镜（Atomic Force Microscope ，AFM），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形貌结构信息及表面粗糙度信息。

相对于扫描电子显微镜，原子力显微镜具有许多优点。

不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM提供真正的三维表面图。

同时，AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。

第三，电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。

这样可以用来研究生物宏观分子，甚至是活的生物组织。

1。

原子力显微镜原理介绍

原子力显微镜原理介绍原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种利用原子力相互作用的显微镜，可以在原子尺度上对样品表面进行高分辨率的成像。

AFM具有高分辨率、高灵敏度、无需对样品进行特殊处理等优点，被广泛应用于材料科学、生物科学等领域。

AFM的原理基于力电荷耦合作用。

当扫描探针和样品表面之间存在距离时，由于它们之间的静电力、范德华力及表面张力等作用，会使探针弯曲。

AFM通过在探针上施加压电力来对探针进行调节，使与样品表面的相互作用力保持恒定，从而测量得到探针的形变信息。

通过对形变信息的处理，可以得到样品表面的三维拓扑图像。

AFM的核心组成部分是扫描探头和力传感器。

扫描探头通常由一个尖端和一段弯曲的弹簧杆组成。

尖端的大小一般在纳米尺度，可以用于成像不同大小和形状的样品。

弹簧杆的弯曲情况则是通过力传感器来测量的。

在AFM操作过程中，首先将样品固定在一个大型可移动的扫描平台上。

然后，将扫描探头靠近样品表面，使其与样品之间的距离保持在1-10纳米的量级范围内。

通过扫描平台的控制，可以使探针在样品表面上进行扫描。

当探针在样品表面上移动时，它所受到的相互作用力会随着扫描位置的改变而改变。

根据探针的形变，可以准确测量样品表面的高程和形貌信息。

AFM可以通过不同的模式进行操作，常见的模式包括接触模式、非接触模式和振动模式等。

接触模式是最常用的模式，通过将探针与样品表面保持接触，测量形变信息。

非接触模式则是通过探针与样品表面之间的范德华力进行作用，避免了对样品的破坏。

振动模式则是通过控制探针的共振频率来得到形变信息。

AFM不仅可以提供样品表面形貌信息，还可以测量样品的力学性质。

通过改变探针与样品表面之间的相互作用力的大小和方向，可以测量样品的硬度、弹性模量等力学参数。

总之，原子力显微镜是一种利用原子力相互作用实现高分辨率成像的显微镜。

通过测量探针的形变信息，可以获得样品表面的三维拓扑图像和力学性质。

AFM_原子力显微镜简介(1)概述

2.接触式AFM工作原理
样品放置在扫描器上方，扫描器中的压电陶瓷管在外加电压的作用下，可以在X、Y 和Z 方向上独立运动。SPM 探头中的激光器发出激光，照射在探针的尖端背面，经反射后，落在光斑位置检测器上。光斑位置检测器上下部分的光强差产生了上下部分的电压差，通过测量这个压差，就可以得到光斑位置的变化量。
谢谢！
2.接触式AFM工作原理
当探针在样品表面扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，光斑位置检测器上下部分的电压差值也发生改变。反馈电路测量这个差值，通过改变加在扫描器Z 方向上的电压，保持这个差值的恒定，计算机记录这个电压，即反映了样品的表面形貌。
原子力显微镜（AFM）
1.概述 2.工作原理 3.仪器介绍 4.成像模式 5.AFM应用 6.AFM的缺陷
1.概述
• AFM (Atomic Force Microscope)原子力显微镜以原子间力为理论基础的显微镜，从STM（扫描隧道显微镜）发展而来 • 以原子尺寸观察物质表面结构 • 金属、半导体、绝缘体 • 大气、液体环境下直接观察 • 精确测量样品的尺寸参数精确测量样品的尺寸参数
3.仪器介绍
4.成像模式
4.1 接触模式 • 针尖与样品表面距离小，利用原子间的斥力 • 可获得高解析度图像 • 样品变形，针尖受损 • 不适合表面柔软的材料
针尖样品表面
接触模式
4.成像模式
4.2 轻敲模式 • 探针在Z轴维持固定频率振动，当振动到谷底时与样品表面接触 • 对样品破坏小 • 分辨率几乎与接触模式相同
2.轻敲式AFM工作原理
用一个外加的振荡信号驱动探针在样品表面上方振动。探针振动的振幅也可通过光斑位置检测器的上下部分的光强差来确定。

AFM简介解读

微纳尺寸的测试表征技术之—AFM简介：AFM全称Atomic Force Microscope，即原子力显微镜，Binnig, Quate and Gerber于1986年发明。

它是继扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope）之后发明的一种高分辨的新型仪器，可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵；其相对于STM最大的优势是可以测不导电的样品。

现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研究和科研院所各种纳米相关学科的研究实验等领域中，成为纳米科学研究的基本工具。

原理：AFM是用一种特殊的探针去探测针尖和样品之间的相互作用力，这种作用力即是Van der Waals力（分子间相互作用力）。

当AFM针尖靠近样品表面的时候，针尖和样品表面原子之间的原子力如下图所示：表面施加给针尖的相互作用力会导致悬臂的弯曲悬臂这样微小的变化可以通过光学技术记录下来，这样就可以产生AFM 的形貌图AFM 的分辨率对于AFM ，悬臂变化对针尖和样品之间距离的依赖性比较弱（如下图所示）Z = - F / k这样会导致针尖上的几个原子同时和样品上的几个原子起作用。

因此，AFM 并不能得到原子级的分辨率。

AFM设备扫描探头，回路系统，振动隔离系统，探针，悬臂变化探测系统等AFM探针----悬臂和针尖在AFM中，探针是平行于样品表面放置的，探针由弹性的悬臂，悬臂末端的针尖和一个底座构成。

当针尖和样品之间的相互作用力发生的时候，弯曲就会在悬臂上产生。

AFM悬臂悬臂可以理解成一个具有弹性系数k的弹簧，当力（F）作用在探针上的时候，悬臂上就会发生一个小的偏移（∆z），并遵守胡克定律。

∆Z = - F / kV型的悬臂是最常用的，它对垂直的变化具有较小的力学阻力，但对于横向的变化又有较大的力学阻力。

另一种比较常用的悬臂是直角的。

悬臂一般长100到200μm，宽10到40μm，厚0.3到2μm。

原子力显微镜(AFM)原理及应用讲解

•
相位移模式
作为轻敲模式的一项重要扩展技术，相移模式(相位移模式)通过检测驱动微悬臂探针振动的信号源的相位角与微悬臂探针实际振动的相位角之差（即两者的相移）的变化来成像。引起该相移的因素很多，如样品的组分、硬度、粘弹性质等。因此利用相移模式(相位移模式)，可以在纳米尺度上获得样品表面局域性质的丰富信息。迄今相移模式(相位移模式)已成为原子力显微镜的一种重要检测技术。
1985年，IBM公司的Binning 和Stanford大学的Quate研发出了原子力显微镜（AFM），弥补了STM的不足，可以用来测量任何样品（无论导电性与否）的表面。
2
AFM的结构简图
AFM针尖
AFM利用一个对微弱力极敏感的、在其一端带有一微小针尖的微悬臂，来代替STM 隧道针尖，通过探测针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的（右上图）。
6 AFM的集中工作模式
• 接触模式：
微悬臂探针紧压样品表面，检测时与样品保持接触，作用力（斥力）通过微悬臂的变形进行测量。
•
轻敲模式：针尖与样品表面相接触，分辨率高，但成像时针尖对样品的作用
力较大，适合表面结构稳定的样品。用处于共振状态、上下振荡的微悬臂探针对样品表面进行扫描，样品表面起伏使微悬臂探针的振幅产生相应变化，从而得到样品的表面形貌。该模式下，扫描成像时针尖对样品进行“敲击”，两者间只有瞬间接触，能有效克服接触模式下因针尖的作用力，尤其是横向力引起的样品损伤，适合于柔软或吸附样品的检测。
3
AFM工作原理
原理：
AFM是在STM的基础上发展起来的。所不同的是，它不是利用电子隧道效应，而是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。假设两个原子一个是在悬臂的探针尖端，另一个是在样本的表面，它们之间的作用力会随距离的改变而变化，其作用力与距离的关系如右图所示，当原子与原子很接近时，彼此电子云斥力的作用大于原子核与电子云之间的吸引力作用，所以整个合力表现为斥力的作用，反之若两原子分开有一定距离时，其电子云斥力的作用小于彼此原子核与电子云之间的吸引力作用，故整个合力表现为引力的作用。

原子力显微镜基础知识解读

原子力显微镜基础知识解读原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种高分辨率的显微镜，可用于研究物质的表面形态、力学性质等。

AFM采用扫描探针从样品表面扫描，利用针尖与样品表面的相互作用力来获得样品表面的形貌信息。

AFM具有高分辨率、非接触测量、可以在常温常压下进行实验等优点，因此被广泛应用于物理、化学、材料等多个领域的研究。

AFM工作原理AFM探头在扫描样品表面的过程中，通过针尖与样品表面的相互作用力（包括原子间力、化学键力、范德华力、弹性力等）来感知样品表面形态信息。

AFM采用的采样频率一般在几十赫兹到几百赫兹之间，探测范围在纳米到微米之间，精度可达纳米级别。

AFM探测原理大体可以分为力-位移探测和干涉仪探测两种方式。

力-位移探测是利用弹性探针尖部与样品表面间的相互作用力来感知样品表面形态信息。

探针在扫描样品表面时，探针尖部的位置发生微小变化，这种变化可以通过晶体谐振试验测量得到。

干涉仪探测则是采用光学干涉原理，通过探针尖部的振动干涉信号来获得样品表面形态的信息。

AFM应用领域AFM在各个领域有着广泛的应用。

在表面形态方面，AFM可以获得样品表面形貌、粗糙度、角度等信息。

在生物领域，AFM 可以用于测量蛋白质、DNA、细胞等的力学性质，如弹性模量、形变硬度等。

在材料科学领域，AFM可以用于材料表面物理性质的研究，如表面润湿性、磁性、电学性质等。

在纳米科技领域，AFM可以用于制备纳米结构及其表面形态研究等。

使用AFM时需要注意的事项在使用AFM时需注意：1、准备好样品。

样品应具备光洁度、平整度等要求，要排除可能引起探针损坏或测量误差的因素。

2、确定扫描范围。

根据需要获得的样品表面信息，确定扫描范围及分辨率。

3、选择适量的力度。

根据样品类型及探针硬度等因素，选择适量的力度。

4、检测探针。

检测探针的质量及硬度等特性。

5、设置参数。

根据采样方式、探租类型及大小等，设置相应的参数。

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。

原子力显微镜介绍

几种检测方法比较
分辨率优缺点
隧道电流法
Z向0.01nm
电容法
光学干涉法光束偏转法
Z向0.01nm
z向0.001nm z向0.003nm
当微悬臂上产生隧道电流的部位被污染时，其性能将下降，因此该法适用于高真空检测抗噪音水平低
灵敏度和信噪比都高，设备复杂原理和技术简单，精度也较高，适用范围广
Typical system & constitution
Advantage
AFM优点
AFM能提供生物分子和生物表面的分子／亚分子高分辨率的三维图像。 AFM 技术的样品制备简单，甚至无需处理，对样品破坏性较其他常用技术要小得多。 AFM可以在大气、真空、低温和高温、不同气氛以及溶液等各种环境下工作 AFM不受样品导电性质的限制，因此已获得比STM 更为广泛的应用。
Typical system & constitution
对微悬臂的要求
Typical system & constitution
对针尖性能的要求
1. 理想针尖的顶端应该是单个原子，这样的针尖能够灵敏地感应出它与样品表面之间的相互作用力。 2. 尽可能小的曲率半径。（50~100nm） 3. 高的机械柔软性，针尖扫描时，即使撞击到样品的表面也不会使针尖损坏。 4. 高的弹性形变，可有效地限制针尖在样品表面上的作用力，从而减小对样品的损害，对柔软的生物样品特别有利。 5. 稳定的结构。
原子力显微镜（AFM）简介
袁英杰 2014.4.16
主要内容
1、背景 2、原理 3、典型系统及构造 4、优点 5、缺点 6、相关应用 7、发展
background
扫描隧道显微镜（STM）

原子力显微镜AFM

四、对样品的要求

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。而抛光硅片最好要用浓硫酸与 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。

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， oncontact Mode的使用受到限制。

如图所示，二极管激光器（Laser Diode）发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂（Cantilever）背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器（ Detector ）。在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。

一、仪器结构

在原子力显微镜（Atomic Force Microscopy， AFM）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。

1.1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。微悬臂通常由一个一般 100~500μ m长和大约500nm~5μ m厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品－针尖间的相互作用力。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。

afm原子力显微镜简介

• 以原子尺寸观察物质表面结构 • 金属、半导体、绝缘体 • 大气、液体环境下直接观察 • 精确测量样品的尺寸参数精确测
量样品的尺寸参数
•2.工作原理
•
•在原子力显微镜的系统中, 是利用微小探针与待测物之间交互作用力, 来呈现待测物的表面之物理特性。
2.工作原理
• 将一个对力极为敏感的微悬臂的一端固定, 另一端固定针尖 • 当针尖在样品表面扫描时, 因针尖尖端原子与样品表面原子
• 1.偏移图（错位信号图）
•
在接触模式下, 通过记录反
射激光束在PSPD上的即时信号与预
设信号之间的电压差而成像。
5.辅助图像
• 2.振幅图
•
在接触模式下, 给微悬臂加上一个小振幅、
低频率的简谐振动后（力调制技术）, 通过记录微
悬臂振幅的变化而成像。
• 3. 相图
•
是与振幅图相类
似, 在轻敲模式下, 通
6.AFM应用
• 观测生物样品
• λ-DNA
• 霍乱菌
6.AFM应用
• 表面信息统计分析
7.AFM的缺陷
• 1.较小的扫描范围, 100μm到 10nm, 容易将局部的、特殊的结果当作整体的结果而分析, 以及使实验结果缺乏重现性。
• 2.极其高的分辨率, 使得在样品制备过程中产生的或者是从背景噪音中产生的极小赝像都能够被检测、观察到, 产生赝像。
afm原子力显微镜简介
主要内容
• 1.概述 • 2.工作原理 • 3.仪器介绍 • 4.成像模式 • 5.辅助图像 • 6.AFM应用 • 7.AFM的缺陷
1.概述
• AFM (Atomic Force Microscope)原子力显微镜以原子间力为理论基础的显微镜, 从STM（扫描隧道显, 振

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。

AFM原子力显微镜详解

AURORA Confidential
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原子力显微镜探针工作流程
• 原子力显微镜（atomic force microscope，简称AFM）利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力，从而达到检测的目的，具有原子级的分辨率。
AURORA Confidential
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原子力显微镜探针工作流程
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接触模式
• 从概念上来理解，接触模式是AFM最直接的成像模式。正如名字所描述的那样，AFM 在整个扫描成像过程之中，探针针尖始终与样品表面保持紧密的接触，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10 - 10～10 - 6 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。
AURORA Confidential
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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，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，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SPM控制器作信号处理。
• 如上图所示，二极管激光器（Laser Diode）发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂（Cantilever ）背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器（Detector）。在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。

原子力显微镜AFM

• 探针接触样品表面，发生形变，向上弯曲； • 接收器Up-Down信号发生改变； • 反馈系统通过Vz控制扫描器的伸缩，使Up-Down信号维持恒定； • 记录在每个扫描点(x,y) 的伸缩电压V(x,y)； • 通过V(x,y)，即可计算出样品的表面形貌T(x,y)；
图2.4 接触模式工作原理
空间分辨率
试样环境图像形式试样损伤力学性质
原子级0.1nm
大气环境、液相、真空二维、三维图像几乎无局部微区力学性能
3~6nm
高真空二维图像
对电子束敏感对电子束敏感物质有损伤物质有损伤
无无
• 1.2 AFM主要功能
• 高空间分辨率描述物质表面微观结构；
• 能够用于表征固体物质表面局部微小区域的力学
和物理性质，例如定量测定粗糙度、弹性模量、硬度、黏弹性质等； • 原子分子搬迁，应用AFM针尖在纳米尺寸对材料表面作微机械加工、表面改性或改变大分子取向
和信息技术中的高密度存储技术等。
2. AFM的工作原理及工作模式
2.1 AFM的结构和工作原理
作用力F与形变△z之间的关系： F=k · △z k: 微悬臂的弹性常数 △z：微悬臂发生的微小弹性变形
图2.8 轻敲模式原理图
a. 高度像
b. 相位像
其是通过检测驱动微悬臂振动的信号与微悬臂实际振动的相位角之差的变化来成像。
图2.7 相位成像原理示意图
(a)
(b)
图2.8 一种有机薄膜的高度像（a）与相位像（b）
相位像对不同颗粒及其边界具有更强的反差，并可在纳米尺度上提供试样表面组分、摩擦、黏弹性及其他性质的分析。
表2.1 接触模式与轻敲模式的比较接触模式轻敲模式

AFM_原子力显微镜简介

原子力显微镜（AFM）简介
江洋洋李会霞 2016.04.01
目录
1.工作原理 2.AFM应用 3.生物涂层材料 4.AFM在生物涂层材料中的应用
Page 2
1.工作原理
※ AFM是在STM的基础上发展起来的。所不同的是，它不是利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范德华力作用来呈现样品的表面特性。
★ 假设两个原子，一个是在探针尖端，另一个是在样本表面，随着他们之间的距离发生变化，他们间的作用力也随之改变。院子里显微镜就是利用这种原子间距离合作用力的对应关系来把样品表面的原子形貌呈现出来。
将一个对力极为敏感的微悬臂的一端固定，另一端固定针尖当针尖在样品表面扫描时，因针尖尖端原子与样品表面原子存在的范德华力，使微悬臂产生微小弯曲。检测悬臂弯曲所造成的微小的位移量，得到样品表面信息
Ti+HA双涂层钛合金生物固定型人工髋关节
Page 5
4.AFM在生物陶瓷涂层中的应用—表面结构测试
•
•
Sa(平均高度）、Ssk、 Sdq是衡量表面形貌和骨结合性之间联系的三个重要因数。 Sdq值越高，表明骨界面残余应力大，而且骨结合性好
Page 6
4.AFM在生物涂层材料中的应用—抗菌性过程研究
Adhesion and Viability Assay of Cells on the SS-TiO2-g-QP(4VP) Coupons
Page 7
谢谢！
Page 8
Page 3
2.AFM应用
观测样品表面形貌观测生物样品纳米加工
云母的原子像
霍乱菌
IBM文字
DVD光盘表面
λ-DNA
Page 4

AFM原子力显微镜

AFM全称Atomic Force Microscope，即原子力显微镜，它是继扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope）之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器，可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵；现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研究和科研院所各种纳米相关学科的研究实验等领域中，成为纳米科学研究的基本工具。

AFM是由G.Binning在STM的基础上于1986年发明的表面观测仪器。

AFM=Atomic Force Microscope（原子力显微镜）。

原子力显微镜与扫描隧道显微镜相比，由于能观测非导电样品，因此具有更为广泛的适用性。

当前在科学研究和工业界广泛使用的扫描力显微镜（Scanning Force Microscope），其基础就是原子力显微镜。

原理：当原子间距离减小到一定程度以后，原子间的作用力将迅速上升。

因此，由显微探针受力的大小就可以直接换算出样品表面的高度，从而获得样品表面形貌的信息。

分类﹕(1) 接触式﹕利用探针和待测物表面之原子力交互作用(一定要接触)，此作用力(原子间的排斥力)很小，但由于接触面积很小，因此过大的作用力仍会损坏样品，尤其对软性材质，不过较大的作用力可得较佳分辨率，所以选择较适当的作用力便十分的重要。

由于排斥力对距离非常敏感，所以较易得到原子分辨率。

(2) 非接触式﹕为了解决接触式之AFM 可能破坏样品的缺点，便有非接触式之AFM 被发展出来，这是利用原子间的长距离吸引力来运作，由于探针和样品没有接触，因此样品没有被破坏的问题，不过此力对距离的变化非常小，所以必须使用调变技术来增加讯号对噪声比。

在空气中由于样品表面水模的影响，其分辨率一般只有50nm，而在超高真空中可得原子分辨率。

(3) 轻敲式﹕将非接触式AFM 改良，将探针和样品表面距离拉近，增大振福，使探针再振荡至波谷时接触样品由于样品的表面高低起伏，使的振幅改变，再利用接触式的回馈控制方式，便能取得高度影像。

AFM简介

当车辆急加速或高负载时，需求多缸发动机较高的功率输出，但是，根据统计显示，在日常
的用车过程中，大多数情况发动机的功率使用均低于 25%，比如车辆在高速公路开行时，仅需要 40 马力（30 千瓦）的功率输出便可以满足车辆前进动力需求，以及必要的附件运转，比如空调开启。当汽油发动机运转在低负载条件下，发动机的有效压缩比远小于标定的压缩比值，节气门处于不完全打开状态，发动机在每一个进气冲程中的进气量也远小于满负荷的最大进气量，因此，燃烧室里面混合气体燃烧产生的压力和温度也远小于满负荷状态，根据热力学定律，发动机的热效率转换也远小于其可达的最大热效率值，即是发动机燃烧热能转化为运转机械能的效率不高。因此，在大部分的日常车辆使用过程中，高功率，大排量的发动机配备实际上并没有被发挥到极致，反而在一定程度上造成了浪费，并增加了额外的燃油消耗。主动燃油管理（active fuel management）技术就是针对这种情况而产生的，它可以根据发动机的运转工况要求，智能的控制发动机运转，在低负荷时，关闭部分气缸，以减少燃油消耗，提高热转化效率，在高负荷时，开启全部气缸，又能使功率输出满足驾乘需求。编辑本段工作原理
主动燃油管理（active fuel management）技术是通过电磁阀来控制液压气门挺杆的油路供给，通过调整选定气缸气门挺杆的机油压力，使得部分气缸气门保持关闭，这些气缸将会停止进气或排气，被选定的气缸将不参与发动机功率输出，从而达到提高燃油经济性的目的。为了达到关闭气缸的效果，当发动机燃烧作功冲程完成后，排气门将被电磁阀控制而保持关闭，当发动机排气冲程时，废气将在气缸内保留并被压缩，当发动机进入进气冲程时，进气门也被电磁阀控制而保持关闭，使得气缸不能进气，这样保留在气缸之中的废气将会在发动机各冲程中不断被压缩和膨胀，类同于气弹簧。根据发动机气缸分布，那么一次会有多个气缸被同时关闭（例如 V8 发动机 1，4，6 和 7 缸），当其中两缸废气处于被压缩状态时，另外两缸废气将会处于被膨胀状态，这样的平衡使得这些气缸的关闭并不会对发动机造成额外的负担，不会影响发动机的正常运转。当发动机工况改变，需要更大的功率输出时，那么被关闭气缸的排气门将会在排气冲程中打开，废气将会被排出，发动机进入全缸正常工作状态，为车辆带来更大的动力。编辑本段技术意义

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(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(AFM)

由於AFM具有原子級的解析度，是各種薄膜粗糙度檢測，及微觀表面結構研究各種薄膜粗糙度檢測，各種薄膜粗糙度檢測的重要工具，並且也很適合與掃描電子顯微鏡相搭配，成為從mm至nm尺度的的重要工具表面分析儀器；而AFM亦可在液體環境中操作，更可用來觀測材料表面在化學觀測材料表面在化學表面分析儀器反應過程中的變化，以及生物活體的動態行為生物活體的動態行為，可廣泛應用於生物科技及醫學反應過程中的變化生物活體的動態行為科技上。另外就是AFM亦可應用於奈米結構之製作與加工應用於奈米結構之製作與加工，目前已有多種可行應用於奈米結構之製作與加工方法，應用於超高密度記憶裝置及次微米電子元件的製作應用於超高密度記憶裝置及次微米電子元件的製作。應用於超高密度記憶裝置及次微米電子元件的製作
AFM的操作模式可大略分為以下三種：(1)接觸式：在接觸式操作下，探針與樣品問的操作模式可大略分為以下三種：接觸式在接觸式操作下，接觸式：的操作模式可大略分為以下三種的作用力是原子間的排斥力，的作用力是原子間的排斥力，這是最早被發展出來的操作模式，由於排斥力對距離非常敏感，所以接觸式AFM較容易得到原子解析度。在一般的接觸式量測中，探針與樣品問的作用力很小，約為10-6至10-10N (Newton)，但由於接觸面積極小，因此過大的作用力仍會損壞樣品表面，但較大的的作用力通常可得到較佳的解析度。因此選擇適當的的作用力，接觸式的操作模式是十分重要的。(2)非接觸式：為了解決接非接觸式：非接觸式觸式AFM可能損壞樣品的缺點，便有非接觸式AFM發展出來，這是利用原子間的長可能損壞樣品的缺點，便有非接觸式發展出來，觸式可能損壞樣品的缺點發展出來距離吸引力『凡德瓦爾力』來運作。距離吸引力『凡德瓦爾力』來運作。凡德瓦爾力對距離的變化非常小，因此必須使用調變技術來增強訊號對雜訊比，便能得到等作用力圖像，這也就是樣品的高度影像。一般非接觸式AFM只有約50nm(10-9m)的解析度，不過在真空環境下操作，其解析度可達原子級的解析度，是AFM中解析度最佳的操作模式。(3)輕敲式：第三種輕輕敲式：輕敲式敲式AFM則是將非接觸式加以改良，其原理係將探針與樣品距離加近，然後增大振則是將非接觸式加以改良，其原理係將探針與樣品距離加近，敲式則是將非接觸式加以改良幅，使探針在振盪至波谷時接觸樣品，由於樣品的表面高低起伏，使得振幅改變，使探針在振盪至波谷時接觸樣品，再利用類似非接觸式的迴饋控制方式，便能取得高度影像。