电化学原子力显微镜
原子力显微镜在腐蚀电化学中的应用
原 子 力 显 微 镜在 腐 蚀 电化 学 中 的应 用
柏任流 ， 周 静
（ 南民族 师 范学 院 化 学 与化 工 系， 州 都 匀 ５８０ ） 黔 贵 ５００
摘
意义 。
要： 介绍原子力显微镜发展 的历史 ， 述 了原子力显微 镜 工作 的原理 、 评 操作模 式 以及在 电化 学腐蚀 中的应 用和
关键词 ： 原子力显微镜 ； 悬臂 ； 微 针尖 ； 腐蚀 电化 学
中图分类号 ： ６７ ０５ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：６ ７— ３ ８ ２ ０ ） ６— ０ ５— ４ １４ ２ ９ （ ０８ ０ ０ ５ ０
Ａｐｐ ｉ ａ ｉ ｎ ｆＡｔ ｍｉ ｒ ｅ Ｍ ｉ ｒ ｓ ｏ ｎ ｅｅ ｔｏｃ ｍ ｉａｌｃ ｒ ｏ ｉ ｎ ｌｃ ｔｏ ｏ ｏ ｃ Ｆｏ ｃ ｃ ｏ ｃ ｐｙ ｉ ｌ ｃ ｒ ｈｅ ｃ ｏ ｒ ｓｏ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ ｐ ｐ ｒｉ ｈ ｅ ｌ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｔ ｅ ｄ ｖ ｌｐ ｄ ｈ ｓｏｙ ｏ ｔ ｍｉ ｏ ｃ ｃ ｏ ｏ ｅ，ａ ｄ ｃ ｍｍｅ ｔ ｒｎ ｉ ｌ ｆ ｗ ｒ ｎ ｐ ｒ ｔｒ ｓ ｒ ｃ ： ｈ ａ ｅ ｓ ｃ ｉ ｆ ｉ ｔ ｕ ｅ ｈ ｅ ｅ ｏ ｅ ｉ ｒ ｆａ ｏ ｃ ｆ ｒ ｅ ｍｉ ｒ ｓ ｐ ｙ ｏ ｔ ｃ ｎ ｏ ｎ ｅ ｐ ｉ ｃｐ ｅ ｏ ｏ ｋ ａ ｄ ｏ ｅ ａ ｏ ｄ ｓ ｈ ｍｅ ｏ ｔ ｍｉ ｒ ｅ ｍｉｒ ｓ ｏ ｅ ａ ｌ ａ ｐ ｉａ ｉ ｎ ａ ｄ ｐ ｒ ｓ ｎ ｅｅ ｔ ｃ ｅ ｃ ｌｃ ｒｏ ｉｎ． ｃ ｅ ｆａ ｏ ｃ ｆ ｃ ｃ ｏ ｃ ｐ ８ ｗｅｌ ｐ ｌ ｔ ｕ ｐｏ ｅ ｉ ｌ ｃｒ ｈ ｍｉ ａ ｏ ｒ ｓｏ ｏ ｃ ｏ ｎ ｏ Ｋｅ ｒ ｓ： ｏ ｃ ｆｒ ｅ ｍｉ ｒ ｓ ｏ ｅ；ｃ ｎ ｉ ｖ ｒ ｉ ｙ ｗｏ ｄ Ａｔｍｉ ｃ ｃ ｃ ｐ ｏ ｏ ａ ｔ ｅ ｅ ；ｔ ｌ ｐ；ｅ ｅ ｔｏ ｈ ｍｉａ ｏ ｒ ｓｏ ｌｃ ｒｃ ｅ ｃ ｃ ｒｏ ｉｎ ｌ
原子力显微镜简介2016年
原子力显微镜简介1.原子力显微镜的发展历史2.原子力显微镜的基本原理3.原子力显微镜的要素4.原子力显微镜的操作模式5.原子力显微镜的针尖卷积效应与图像假像6.原子力显微镜的应用进展•三维扫描控制•控制电路•振荡隔离系统•微悬臂形变检测方法•微悬臂的设计思想及制作方法•基本成像模式•派生成像模式•谱学模式原子力显微镜的发展历史mmμmnm10-910-610-3m肉眼可见光学显微镜扫描电镜扫描探针显微镜扫描I 扫描IZ I 一次扫描扫描示意图扫描隧道显微镜(STM)的发明和原理1982年，IBM 苏黎世实验室的G. Binnig 博士和H. Rohrer 博士及其同事们发明了STM氙原子在镍(110)表面排成的最小IBM商标铜(111)表面上的铁原子量子围栏搬走原子写“中国”铂表面上一氧化碳分子排成的“纳米人”铁原子在铜(111)表面排成的汉字原子力显微镜(AFM)的发明由于STM是利用隧道电流进行表面形貌及表面电子结构性质的研究，所以只能直接对导体和半导体样品进行研究，不能用来直接观察和研究绝缘体样品和有较厚氧化层的样品。
1986年Binnig、Quate和Gerber发明了第一台原子力显微镜1987年Quate等人获得了高定向热解石墨（HOPG）的高分辨原子图像1987年，Quate等人获得了高定向热解氮化硼（HOPBN）表面的高分辨原子图像，其中HOPBN是第一个用AFM获得原子分辨图像的绝缘体。
原子力显微镜的派生功能摩擦力显微镜（FFM）磁力显微镜（MFM）导电AFM（CAFM）静电力显微镜（EFM ）表面电势成像（SP imaging）扫描电化学显微镜（SECM）扫描电容显微镜（SCM）扫描热显微镜（SThM）这些新型的显微镜，都利用了反馈回路通过针尖和样品的某种作用（光、电、热、磁、力等）来控制针尖在距表面一定距离处扫描，从而获得表面的各种信息。
原子力显微镜的基本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的相互作用力，来研究待测物表面的形貌和物理化学特性。
原子力显微镜
2 3
21
24ຫໍສະໝຸດ R[z2 2
1 30
z
8 8
]
F (z)
F (z) z
3 4
21
2
3
R[
z
3 3
2 15
z
9 9
]
3.4 毛细力和AFM在液体中测量
1. 试件表面旳吸附层
化学吸附
物理吸附
亲水
疏水
2. 毛细力及其对AFM测量旳影响
Fa 2Rh / 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。
2. 作用力旳检测模式
1) 恒力测量模式；
2) 测量微悬臂形变量旳测量模式； 3) 恒力梯度测量模式;
4) 力梯度测量模式。
3. AFM检测时旳扫描成像模式
AFM检测试件表面微 观形貌时，目前采用 三种不同旳扫描成像 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
3）轻敲扫描成像模式
AFM轻敲扫描针尖振荡示意图
3.3 探针与试件间旳作用力
1. 探针与试件间旳多种作用力
1）多种长程力和短程力
作用力
磁力
静电力
长
程
毛细力
力
液固界面力
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
举例 生物铁磁体 磁畴 针类—试件间电容 玻璃上水膜 针尖和试件间凹面
针尖一试件间（R>>Z） 跳跃接触 针尖试件接触
原子力显微镜简介2016
原子力显微镜简介1.原子力显微镜的发展历史2.原子力显微镜的基本原理3.原子力显微镜的要素4.原子力显微镜的操作模式5.原子力显微镜的针尖卷积效应与图像假像6.原子力显微镜的应用进展•三维扫描控制•控制电路•振荡隔离系统•微悬臂形变检测方法•微悬臂的设计思想及制作方法•基本成像模式•派生成像模式•谱学模式原子力显微镜的发展历史mmμmnm10-910-610-3m肉眼可见光学显微镜扫描电镜扫描探针显微镜扫描I 扫描IZ I 一次扫描扫描示意图扫描隧道显微镜(STM)的发明和原理1982年，IBM 苏黎世实验室的G. Binnig 博士和H. Rohrer 博士及其同事们发明了STM氙原子在镍(110)表面排成的最小IBM商标铜(111)表面上的铁原子量子围栏搬走原子写“中国”铂表面上一氧化碳分子排成的“纳米人”铁原子在铜(111)表面排成的汉字原子力显微镜(AFM)的发明由于STM是利用隧道电流进行表面形貌及表面电子结构性质的研究，所以只能直接对导体和半导体样品进行研究，不能用来直接观察和研究绝缘体样品和有较厚氧化层的样品。
1986年Binnig、Quate和Gerber发明了第一台原子力显微镜1987年Quate等人获得了高定向热解石墨（HOPG）的高分辨原子图像1987年，Quate等人获得了高定向热解氮化硼（HOPBN）表面的高分辨原子图像，其中HOPBN是第一个用AFM获得原子分辨图像的绝缘体。
原子力显微镜的派生功能摩擦力显微镜（FFM）磁力显微镜（MFM）导电AFM（CAFM）静电力显微镜（EFM ）表面电势成像（SP imaging）扫描电化学显微镜（SECM）扫描电容显微镜（SCM）扫描热显微镜（SThM）这些新型的显微镜，都利用了反馈回路通过针尖和样品的某种作用（光、电、热、磁、力等）来控制针尖在距表面一定距离处扫描，从而获得表面的各种信息。
原子力显微镜的基本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的相互作用力，来研究待测物表面的形貌和物理化学特性。
原子力显微镜
引言：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。
1982年，G. Binnig和H.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 tunnelling microscope，STM)，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。
1986年，Binnig和Rohrer被授予诺贝尔物理学奖。
但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。
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)，AFM是通过探针与被测样品之间微弱的相互作用力来获得物质表面形貌的信息，因此，AFM除导电样品外，还能够观测非导电样品的表面结构，其应用领域更为广阔，除物理、化学、生物等领域外，AFM在微电子学、微机械学、新型材料、医学等领域都有着广泛的应用。
以STM和AFM为基础，衍生出了一系列的扫描探针显微镜(SPM)，有激光力显微镜(LFM)、磁力显微镜(MFM)等。
扫描探针显微镜主要用于对物质表面在纳米级上进行成像和分析。
实验目的：1 了解原子力显微镜的工作原理。
2 初步掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法。
实验原理一、AFM的工作原理和工作模式(1) AFM的工作原理在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。
原子力显微镜技术解析材料表面结构与性质之间的关系
原子力显微镜技术解析材料表面结构与性质之间的关系摘要：材料的性质与其表面结构的关系一直以来都是材料科学领域的一个重要研究方向。
随着科学技术的发展，原子力显微镜技术成为研究材料表面结构的重要工具。
本文将对原子力显微镜技术进行解析，以及其在研究材料表面结构与性质之间的关系方面的应用，并探讨其未来的发展方向。
第一部分：原子力显微镜技术的原理和工作方式原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种基于扫描探针原理的纳米尺度测量技术。
其工作原理基于悬臂悬挂的探针缓慢接近样品表面，通过测量探针与样品表面的相互作用力，得到样品表面的拓扑特征。
AFM技术具有高分辨率、强大的力测量能力和多种工作模式等特点，被广泛应用于材料科学研究领域。
第二部分：原子力显微镜技术在表面结构研究中的应用2.1 表面形貌和粗糙度研究原子力显微镜可以实时扫描样品表面的形貌，在纳米尺度上对材料表面的几何形状进行高分辨率的测量。
通过测量表面形貌，可以研究材料的相位分布、晶体结构以及晶格畸变等信息。
此外，原子力显微镜还可以测量材料表面的粗糙度参数，从而研究材料表面的质量和加工状态。
2.2 表面力学性质研究原子力显微镜不仅可以通过测量扭转或振动探针的频率变化分析样品表面的弹性模量，还可以通过测量探针在样品表面的振幅变化分析材料的粘性、黏度以及硬度等机械性质。
借助这些力学性质的测量，研究人员可以更加深入地了解材料的力学行为及其与表面结构之间的关系。
2.3 表面电学性质研究材料的电学性质对其性能和应用具有重要影响。
原子力显微镜技术可以通过探针与样品表面之间的电荷相互作用，测量材料表面的电荷分布和电导率等电学性质。
这对于研究材料的电子结构、电场效应以及电化学反应等方面具有重要意义。
第三部分：原子力显微镜技术在材料性质研究中的应用案例3.1 薄膜材料的研究原子力显微镜技术可以研究和表征各种不同类型和厚度的薄膜材料。
通过测量薄膜表面的拓扑特征和力学性质，可以评估薄膜材料的品质、制备工艺以及与基底材料之间的相互作用。
AFM-原子力显微镜
• 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。
表面的高分辨率图象； 3.使用环境宽松； 4.应用领域宽广； 5.价格相对来讲较低。
.
STM的缺陷
1.只限于直接观测导体或半导体的表面结构； 2.非导电材料须在其表面覆盖一层导电膜； 3.当表面存在非单一电子态时，STM得到的是表
面形貌和表面电子性质的综合结果。
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AFM发展概况
• 1981年，Binnig G和Rohrer提出扫描隧道显微镜 (STM)原理．并因此而获得1986年诺贝尔物理奖。 STM的分辨能力达原子级，可以用来确定导电物 质固体表面的原子结构和性质。
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AFM的优缺点
原子级的高分辨率； 宽松的测试条件； 可以得到力学等众多信息。
➢ AFM观察的始终是样品的外部信息； ➢ 样品固定； ➢ 视野局限；
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AFM的应用
✓AFM成像（形貌观察） ✓力学性能测试 ✓电、磁性能测试 ✓加工、操纵
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云母表面结构AFM成像
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石墨表面结构AFM成像
AFM像中，A和B位置是近乎等同的 .
原子力显微镜 Atomic Force Microscope (AFM)
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透射电镜成像偏差原因
球差：孔径角不同造成折射能力不同 畸变：离轴距离的改变导致放大倍数的改变 慧形差：旁轴射线与非旁轴射线成像 场曲：磁场汇聚作用的差异 色差：电子初速度不完全相同 轴上色散：磁透镜非严格对称 衍射差：类似光学显微镜由透镜导致的
原子力显微镜的构造、性能和使用方法
3、取下激光头，把装有探针的悬臂夹放入激光头中，用激光头后面的锁紧螺丝把悬臂夹锁紧 4、把激光头放回扫描管上，注意探针与样品表面之间的距离，不要让探针碰到样品 5、调整针尖接近样品上方，并调整激光点到探针尖端的背面 四、操作步骤
4.1 开机安装
6、用CCD Camera的粗调螺丝上下移动CCD Camera，在监视器上找到样品的表面，用Base上的Up，Down扳手把探针慢慢往下降，直到在监视器上看到模糊的探针。如果样品是透明的，在监视器上将看不到样品的表面，这时我们以监视器上探针与探针的像将近重合为标准来确定探针在样品正上方的高度 四、操作步骤
从file中选择open workspace,选择contact mode（tapping mode）
接触模式不执行此步，轻敲模式要先点击tune按钮，进入cantilever tune 界面，点击auto tune按钮，计算机自动找寻探针的共振频率，对于普通的Rtesp探针，此频率大约在200-400kHz之间，当tune完成后，返回real time 模式。
03
一、目的与要求
二、构造、原理及功能
DI MultiModeV 扫描探针显微镜
1
2
6
5
4
3
CCD Camera
控制器
激光头
2.1 原子力显微镜的构造
防震台
扫描管
1
2
2.1 原子力显微镜的构造
二、构造、原理及功能 激光头
2.1 原子力显微镜的构造
悬臂夹 二、构造、原理及功能
2.1 原子力显微镜的构造
实验操作过程中需要注意那些问题?
五、思考题
从Tools/select scanner对话框中选择所用的扫描管类型，点OK
原子力显微镜的技术原理及运用
原子力显微镜的技术原理及运用原子力显微镜（AFM）是利用扫描探针对样品表面进行扫描和探测的一种高分辨率的显微镜。
其分辨率可以达到纳米级别，因此被广泛应用于表面形貌、力学性质、磁性质和电性质的研究。
本文将详细介绍AFM的技术原理和运用。
一、技术原理AFM的探针是由弹性力常数极高的硅制成的，探针端面有一个纳米级的监测针头。
在扫描的过程中，探针在样品表面扫过，针尖的与样品之间的相互作用力会引起探针振动，从而可以探测到样品表面的形貌和性质。
AFM可以实时反馈探针与样品之间的相互作用力，在扫描过程中反馈控制该力，以维持探针与样品之间的接触力相等，因此可以获得样品表面的形态图像。
AFM的扫描分为接触模式和非接触模式。
接触模式是探针与样品之间保持接触状态下进行的扫描，此时探针与样品相互作用的力包含弹性力、粘附力和表面张力等多种力量；而非接触模式是探针与样品之间不保持接触状态下进行的扫描，此时探针与样品之间的相互作用力主要包括范德华力和静电吸引力等。
非接触模式的分辨率更高，但接触模式对于表面粗糙度较大的样品更加适用。
二、运用领域1. 表面形貌研究AFM可以用于表面形貌研究，对于材料的微观结构和形态特征进行分析和研究。
通过对样品表面形貌的扫描和观察，可以获得微观结构的信息，如表面形态、颗粒尺寸、表面缺陷、薄膜厚度等。
2. 表面力学性质研究AFM可以测量样品的弹性模量、硬度和黏性等力学性质，通过观察扫描数据，可以对不同结构材料的力学性质进行研究。
3. 表面磁性质研究AFM可以测量样品表面的磁力学性质，如磁滞回线、磁域结构、磁畴壁等。
通过对样品进行磁化，再通过AFM实时观测其磁性变化，并测量样品的磁场分布等参数，可以对材料表面的磁性进行研究。
4. 表面电学性质研究AFM可以测量样品表面的电学性质，如电荷分布、电势分布等。
通过把AFM的探针改为电极，可以进行电学物性和电化学反应的研究。
三、未来发展目前，AFM已被广泛应用于物理学、材料科学、生物医药等领域，但是仍然存在一些问题，如成像效率、分辨率和可靠性等方面的不足。
原子力显微镜
，Vol . 45 No.4，Apr. 2009
原子力显微镜的结构与原理
工作模式
接触 模式
利用原子斥力的变化产生表面轮生表面轮廓， 模式 探针与样品的距离约数十埃到数百埃
敲击 模式
悬臂在试样表面上方以其共振频率振 荡，针尖周期性地短暂地接触/ 敲击 样品表面
扫描运动方向和数据点的采集
原子力显微镜三维精确测量
原子力显微镜原理与应用技术，现代仪器 原子力显微镜与表面形貌观察，广西物理，Vol . 28 No. 2 2007 气/液两用型原子力显微镜及其应用研究，光学仪器，Vol. 30 , No. 5，
2008 喇曼一原子力显微镜的研究进展，红外，Vol. 30 , No. 5，2009 基于原子力显微镜的四电极微探针局域电导率测量技术，机械工程学报
Atomic force microscope for accurate dimensional metrology，A.D. Mazzeo et al. / Precision Engineering 33 (2009) 135–149
EC-AFM investigation of reversible volume changes with electrode potential in polyaniline，P.R. Singh et al. / Journal of Electroanalytical Chemistry 625 (2009) 16–26
原子力显微镜的基本原理与应用
原子力显微镜的基本原理与应用作为材料科学中的一项重要工具，原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)可以实现对于物质的高分辨率的三维成像，提供了对于物质的局部微观颗粒状态的详细了解。
它不需要特殊的标记和处理，适用于各种不同形态的应用场景，是当前最为先进的光学性质测试手段之一。
本文将对原子力显微镜的基本原理以及应用做一个简要介绍。
一、基本原理原子力显微镜是一种通过探针测量表面形貌的技术，它能够探测物体表面的特征，包括高度，层析等信息。
与传统的光学显微镜不同，原子力显微镜常常使用细小的探针在样品表面扫描，通过对于样品的局部电化学反应进行分析，进而得到关于样品表面形态信息的表征。
具体来说，原子力显微镜是通过力的探测方式来进行成像的。
探针的测量精度非常高，可以达到亚埃级别的精度，即微米尺度之内的物体都能被精确地探测到。
同时，它还能够提供物体的力学特性等信息，包括物体的弹性、刚性等信息。
二、应用场景1.材料表面成像原子力显微镜在材料科学领域中的一个重要应用是材料表面成像。
通过使用原子力显微镜，我们可以了解到各种材料表面的各种细节信息，包括高度、层析等信息，从而更加深入地了解材料的物理、化学等性质。
2.生物医学应用在生物医学科学领域中，原子力显微镜可以用于单个细胞或微生物的成像和表征。
在这方面的应用中主要是通过原子力显微镜检测这些细胞或微生物表面的变化，比较常见的例子包括癌症细胞成像等。
3.纳米材料研究原子力显微镜在纳米材料研究领域中也有着广泛的应用。
通过它，我们可以了解到纳米材料的表面结构、晶胞等信息，并且可以通过对于这些信息的分析，以提高纳米材料性质的研究水平。
4.电子学研究原子力显微镜可以通过扫描紧密相互作用材料的表面，以了解材料的电学性质等信息。
这种技术在芯片及半导体研究、催化剂研究等领域中有着广泛的应用。
三、总结原子力显微镜是目前最为先进的光学性质测试手段之一，它能够提供关于物质的高分辨率的三维成像等信息。
原子力显微镜简介
蝴蝶翅膀的AFM成像
云母片上的抗体分子的 AFM成像
生物样品
λ -DNA
霍乱菌
遭疟疾感染的人体红血球和蓝藻
纳米加工：
利用AFM可以对样品进行表面原子搬运，原子蚀刻，从 而制造纳米器件。
用AFM针尖移动Si原子 形成的IBM文字
3、检测系统
获得样品表面形貌是通过检测微悬臂位 置的变化而实现的。检测微悬臂位置变化的 主要方法有：
激光反射检测法 隧道电流检射检测法 激光器发出的激光束经过 光学系统聚焦在微悬臂背 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。 在扫描样品时，随着样品 表面的原子与微悬臂探针 尖端的原子间的作用力的 变化，微悬臂将随样品表 面形貌变化而上下起伏， 反射光束也将随之偏移， 将光斑位置转化为电信号 后，再经计算机处理就能 反映出样品表面的形貌。
AFM相关的显微镜及技术
AFM能被广泛应用的一个重要原因是它具有开放性。 在AFM基本操作系统基础上，通过改变探针、成 像模式或针尖与样品间的作用力就可以测量样品的 多种性质．下面是一些与AFM相关的显微镜和技术：
1.侧向力显微镜(LFM) 2.磁力显微镜(MFM) 3.静电力显微镜(EFM) 4.化学力显微镜(CFM) 5.相检测显微镜(PHD) 6.纳米压痕技术(nanoindentation) 7.纳米加工技术(nanolithography)
Bruker 原子力显微镜（Dimension Icon AFM）
AFM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，成为各种纳米 相关学科研究的基本工具。
AFM的基本原理
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。
第五章原子力显微镜ppt课件
2 探针 ❖ 探针是AFM检测系统的关键部分．它由悬臂和
悬臂末端的针尖组成．随着精细加工技术的发展， 人们已经能制造出各种形状和特殊要求的探针。 悬臂是由Si或Si3N4经光刻技术加工而成的．悬臂 的背面镀有一层金属以达到镜面反射。在接触式 AFM中V形悬臂是常见的一种类型(如图3.2所 示)．
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
❖ 它的优点是具有低的垂直反 射机械力阻和高的侧向扭曲 机械力阻．悬臂的弹性系数 一般低于固体原于的弹性系 数， 悬臂的弹性常数与形状、 大小和材料有关．厚而短的 悬臂具有硬度大和振动频率 高的特点．
四、 原子力显微镜工作环境 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
原子力显微镜受工作环境限制较少，它可以在超高真空、气 相、液相和电化学的环境下操作。 (1)真空环境：最早的扫描隧道显微镜(STM)研究是在超高真空下进 行操作的。后来，随着AFM的出现，人们开始使用真空AFM研 究固体表面．真空AFM避免了大气中杂质和水膜的干扰，但其 操作较复杂。 (2)气相环境：在气相环境中，AFM操作比较容易，它是广泛采用 的一种工作环境．因AFM操作不受样品导电性的限制，它可以 在空气中研究任何固体表面，气相环境中AFM多受样品表面水 膜干扰。 (3)液相环境：在液相环境中．AFM是把探针和样品放在液池中工 作，它可以在液相中研究样品的形貌．液相中AFM消除了针尖 和样品之间的毛细现象，因此减少了针尖对样品的总作用 力．液相AFM的应用十分广阔，它包括生物体系、腐蚀或任一 液固界面的研究． (4)电化学环境：正如超高真空系统一样，电化学系统为AFM提供 了另一种控制环境．电化学AFM是在原有AFM基础上添加了电 解池、双恒电位仪和相应的应用软件．电化学AFM可以现场研 究电极的性质．包括化学和电化学过程诱导的吸附、腐蚀以及 有机和生物分子在电极表面的沉积和形态变化等。
原子力显微镜的原理 原子力显微镜工作原理
原子力显微镜的原理原子力显微镜工作原理原子力显微镜是用来讨论包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。
紧要用于测量物质的表面形貌、表面电势、摩擦力、粘弹力和I/V曲线等表面性质，是表征材料表面性质强有力的新型仪器。
另外此仪器还具有纳米操纵和电化学测量等功能。
原子力显微镜的原理：原子力显微镜是利用原子间的相互作用力来察看物体表面微观形貌的。
AFM的关键构成部分是一个头上带有探针的微悬臂。
微悬臂大小在数十至数百mm，通常由硅或者氮化硅构成.探针针尖长度约几mm,尖端的曲率半径则在0.1nm量级。
当探针接近样品表面时，针尖和表面的作用力使微悬臂弯曲偏移。
这种偏移由射在微悬臂上的激光束反射至光电探测器而测量到。
当承载样品的压电扫描器在针尖下方运动时，微悬臂将随样品表面的起伏而受到不同的作用力,继而发生不同程度的弯曲.因此，反射到光电探测器中光敏二极管阵列的光束也将发生偏移.光电探测器通过检测光斑位置的变化，就可以获得微悬臂的偏转状态，反馈电路可把探测到的微悬臂偏移量信号转换成图像信号，通过计算机输出到屏幕上,同时依据微悬臂的偏移量掌控压电扫描器的运动。
原子力显微镜优点和缺点原子力显微镜（atomicforcemicroscope，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，具有原子级的辨别率。
由于原子力显微镜既可以察看导体，也可以察看非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不足。
原子力显微镜是由IBM公司苏黎世讨论中心的格尔德·宾宁与斯坦福大学的CalvinQuate于一九八五年所制造的，其目的是为了使非导体也可以接受仿佛扫描探针显微镜（SPM）的观测方法。
原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）最大的差别在于并非利用电子隧穿效应，而是检测原子之间的接触，原子键合，范德瓦耳斯力或卡西米尔效应等来呈现样品的表面特性。
优点相对于扫描电子显微镜，原子力显微镜具有很多优点。
BRUKER原子力显微镜探针 简介
布鲁克原子力显微镜探针布鲁克AXS，是布鲁克(Bruker)股份公司（NASDAQ：BRKR）中的运营公司，拥有全球性的市场，是从事扫描探针显微镜（Scanning probe microscopes，SPMs）和原子力显微镜（atomic force microscopes，AFMs）的技术领导者。
Bruker AXS专业致力于分析仪器的研发与生产，产品应用于生命科学、材料研究、新型软件开发及应用、结构及表面解析等领域。
不断创新的产品为各行各业的用户带来技术领先和技术进步，用户遍及重工业、化学、药物、半导体、太阳能、生命科学、纳米技术及学术研究等领域，并致力于促进其科技进步及加速工业发展。
布鲁克公司是全球唯一一家既能生产AFM/SPM设备又能生产探针的厂商。
作为全球最大的探针用户之一，我们深刻理解每个单独的组件对于一套高性能AFM系统的价值。
先进的生产工艺，专业的AFM领域背景，得天独厚的生产装备，赋予探针制造众多的优势，确保在最广泛的应用领域中提供最完整的AFM解决方案。
布鲁克AFM探针制造中心特征：•100间无尘室•先进的设计、制造工序及制造工具•内部的探针设计团队与AFM科学家及工程师通力合作，配合紧密•训练有素的生产团队，制造出各种型号的探针•全面的质量管理体系，确保探针性能行业领先在实验中，用户所得到的数据取决于探针的质量及探针的重复性。
布鲁克的探针具有严格的纳米加工控制，全面的质量测试，和AFM领域的专业背景。
所以用户尽可放心，我们的探针不仅为您当前的应用提供所需的结果，同时也能为将来的研究提供参考数据。
原子力显微镜性能及技术领导者布鲁克的原子力显微镜(AFMs)广泛应用于生命科学、材料科学、半导体、电化学等领域的纳米技术研究开发。
布鲁克目前已开发了拥有专利的各种产品套件，以实际应用为导向，能提供无以伦比的精确度及分辨率，各种价位可供选择。
经过几十年的不断创新和设计优化，布鲁克的AFM系统能为用户提供更加简单易掌握的技术。
AFM在电化学领域中的应用
AFM在电化学领域中的应用目录一、原子力显微镜简介 (1)1.1原子力显微镜的基本原理 (2)1.1.1 力检测部分 (2)1.1.2 位置检测部分 (2)1.1.3 反馈系统 (2)1.2 原子力显微镜工作模式 (3)1.2.1 接触扫描成像模式 (3)1.2.2 非接触扫描成像模式 (3)1.2.3 轻敲扫描成像模式 (3)1.3 原子力显微镜主要特点 (4)二、原子力显微镜的历史和现状 (4)2.1 电化学原子力显微镜 (4)2.2 生物型原子力显微镜 (5)2.3 液相型原子力显微镜 (5)三、原子力显微镜在电化学领域中的应用 (5)3.1 EC-AFM在纳米加工中的应用 (5)3.2EC-AFM在电镀、腐蚀与防腐中的应用 (5)3.3 EC-AFM观察电化学沉积膜的形成和性质 (6)四、原子力显微镜在电化学领域中应用展望 (6)五、参考文献 (7)一、原子力显微镜简介AFM（原子力显微镜）是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。
1.1原子力显微镜的基本原理在原子力显微镜的系统中，大致分成三个部分：力检测部分、位置检测部分和反馈系统。
1.1.1 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来检测原子与原子之间力的变化量。
微悬臂通常由一个一般100-500μm长和大约500nm-5μm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，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。
1.1.2 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。
原子力显微镜
原子力显微镜（AFM）
AFM的发展历史
• 1938年，德国工程师Max Knoll和Ernst Ruska制 造出了世界上第一台透射电子显微镜（TEM） • 1952年，英国工程师Charles Oatley制造出了第 一台扫描电子显微镜（SEM）
至此，电子显微镜的分辨率达到纳米级。
AFM的发展历史
AFM分辨率：横向0.15nm，纵向0.05nm。
STM 分辨率：横向0.1nm，纵向0.01nm
AFM的原理
•
原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力 极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针 尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原 子与样品表面原子间存在极微弱的作用力（主要 是范德华力），通过在扫描时控制这种力的恒定， 带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子 间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起 伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可 测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可 以获得样品表面形貌的信息。
非接触模式（ non - contact mode) 敲击模式( tapping mode）
接触式工作模式
在接触模式中，探针的针尖部分保持与样品表面接触，其 主要作用力是库仑排斥力。 微悬臂探针压在样品表面，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。
原子力显微镜工作环境
消除了针尖和样品之间的毛细现象，因此减少了针尖对样 品的总作用力．液相AFM的应用十分广阔，它包括生物体 系、腐蚀或任一液固界面的研究． (4)电化学环境：正如超高真空系统一样，电化学系统为 AFM提供了另一种控制环境．电化学AFM是在原有AFM基础 上添加了电解池、双恒电位仪和相应的应用软件．电化学 AFM可以现场研究电极的性质．包括化学和电化学过程诱 导的吸附、腐蚀以及有机和生物分子在电极表面的沉积和 形态变化等。
原子力显微镜工作原理及应用
原子力显微镜工作原理及应用
参考词汇：原子力显微镜、金属样品、原子、探测器
原子力显微镜工作原理及应用
原子力显微镜（Atomic Force Microscope， AFM）是一种应用于分析
实际表面特征的非常精密的仪器，主要用于分析金属样品的形态特征
和表面结构。
它把最小的原子“显微镜”，运用精准的感测技术，可
以快速、准确地显示出原子大小的细节。
AFM是一种无需涂层的成像技术，它通过检测探针与样品表面间的相互作用来获取图像。
工作原理是，探针缓慢、精细地扫描样品表面，同
时连续感测扫描过程中探针与表面相互作用力的变化，最终重建出样
品表面形态的图像。
AFM可以测量表面的最小高度，也可以在抗拉抗压强度、材料的附着力和表面摩擦系数等方面测量特定的材料属性。
它的优点是精度高、即
时反馈，使样品表面的观测和测量变得更加准确可靠。
因此，原子力
显微镜在细胞形态学研究、生物材料研究、电子材料研究、晶体外形
特征研究等实验中都得到了广泛应用。
原子力显微镜还可以用于拓扑保护、贴合度和结合强度等方面的分析，以及表面腐蚀、老化和增强过程的监测。
此外，多功能原子力显微镜
还可以用于测量样品的电化学特性，如可加性液体的释放，纳米粒子
的电学行为及荷电状态等。
总之，原子力显微镜在金属物理和化学工程、生物材料、纳米材料等
领域具有极佳的应用前景，在获取实际样品表面结构精细信息中独树
一帜，为该领域的深入研究和新材料的开发奠定了坚实的基础。
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要在高真空的环境下操作
6
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)
Atomic force microscopy (AFM)
电化学原子力显微镜
梁景肖 王芳
Contents
原子力显微镜的出现
原子力显微镜工作原理
原子力显微镜应用
电化学原子力显微镜
电化学原子力显微镜应用实例
2
显微镜发展历史
第一代光学显微 镜(1676)
远场显微镜 显微镜
近场显微镜 第二代电子显微 镜(1938) 第三代扫描探针 显微镜SPM （1982）
3
小悬臂（canห้องสมุดไป่ตู้ilever）来感测针尖与样品之间的交互作用，测得 作用力。这作用力会使cantilever摆动，再利用激光将光照射在 cantilever的末端，当摆动形成时，会使反射光的位置改变而造 成偏移量，此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号
给反馈系统，以利于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特
远场显微镜和近场显微镜
光学显微镜和电子显微镜都称之为远场显微镜，因为相对 来说样品离成像系统有比较远的距离。成像的图像好坏基 本取决于仪器的质量。
而扫描探针显微镜的工作原理是基于微观或介观范围的各
种物理特性，探针和样品之间只有2-3埃的距离，会产生 相互的作用，是一种相互影响的耦合体系。我们称它为近 场显微镜。它的成像质量不单单取决于显微镜本身，很大 程度上受样品本身和针尖状态的影响。
信息，从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。
11
基本原理
F pair
排斥部分 d 吸引部分
原子 原子
排斥力
原子 原子 吸 引 力
原子间的作用力
12
在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微小悬臂来感测针尖与样品之
间的交互作用，这作用力会使悬臂摆动，利用激光将光照射在悬臂的末
端，当摆动形成时，会使反射光的位置改变而造成偏移量，此时激光检 测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适
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
重影响AFM成像质量。
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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。
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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
SPM、SEM、STM精度比较
8
AFM出现的意义
STM的原理是电子的“隧道效应”，所以只能测导
体和部分半导体。
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。
9ce Microscope ， AFM），一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面
当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的方式给呈现出来。
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微悬臂
laser diode photo detector
激光二极管
光电检测器
cantilever
sample
scanner
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原子力显微镜（AFM）便是结合以上三个部分来将样品的表面
特性呈现出来的：在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微
Lateral Force Microscopy (LFM)
Magnetic Force Microscopy (MFM) Electrostatic Force Microscopy (EFM) Chemical Force Microscopy (CFM) Near Field Scanning Optical 7 Microscopy (NSOM)
性以影像的方式给呈现出来。
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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
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工作模式
接触模式 (contact mode) 非接触模式 (non-contact mode) 轻敲模式 (intermittent contact mode)
van der Waals force curve
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接触模式
van der Waals force curve
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。
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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
像数据不稳定和对样品的破坏。
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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。
22
特点：
1）分辨率几乎同接触模式一样好；
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；
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24
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。
4
光学显微镜
衍 射 效 应
衍射屏 观察屏
S
*
a
刚可分辨
不可分辨
最小分辨距离：阿贝公式
1.22 r 2n sin
r~0.2um （3000倍）
5
电子显微镜
电子波长比可见光短得多。制成电子显微镜将具 有更高的分辨本领。 1938年：第一台透射电子显微镜（TEM）。 1952年：第一台扫描电子显微镜（SEM）。 电子显微镜的分辨率可以达到纳米级（10-9m）。 样品处理过程复杂