原子力显微镜的原理及应用课件
原子力显微镜原理及操作流程讲义(PPT 42页)
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
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。
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）。
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。
原子力显微镜系统培训课件-新版.ppt
原子力顯微鏡的種類
(1)接觸式原子力顯微鏡 由於是接觸式。探針尖端懸在一低彈性係數的懸臂末
端，懸臂的有效彈性係數比樣品原子還低，當探針掃 瞄樣品表面時，當原子的距離變近，會彼此產生微弱 的吸引力，這些吸引力會不斷增加，直到太靠近時它 們的電子雲產生靜電排斥。當原子間的作用力達到平 衡約一個化學鍵的長度(幾埃) 。當總凡得瓦力變成零， 那些原子保持接觸。 除了上述的凡得瓦力，在接觸式 原子力顯微鏡如周圍環境被薄水層圍繞，會產生毛細 管力量發生，為探針與樣品間的吸引力約為10負8牛頓， 此力量是探針與樣品間的距離而定。
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原子力顯微鏡的原理
當探針尖端與樣品表面接觸時，依其作用力作用(吸力或斥力)，使得懸臂 彎曲，再以一低功率的雷射射在懸臂末端上，再藉由一組感光二極體偵測 器量測入射雷射光反射角度的變化，依據變化的角度，使感光二極體上雷 射光斑造成變化造成二極體電流改變，由測量電流的變化可得知懸臂彎曲 程度，輸入電腦產生樣品表面三維影像。所以不論絕緣體、半導體、導體 都一樣可以獲得三維空間影像。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
~END~
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原子力顯微鏡的種類
(3)間歇接觸式原子力顯微鏡 間歇接觸原子顯微鏡相似非接觸式原子力顯微
鏡，由於探針較非接觸式接近樣品，有時探針 尖端會輕打擊樣品表面。其原理當間歇接觸原 子顯微鏡懸臂的振動振幅的變化反映，也就是 振動振幅的形狀相當探針尖端到表面距離，且 相較非接觸式原子力顯微鏡的優點，它可量取 樣品表面起伏較大的掃瞄影像。
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原子力顯微的應用
原子力顯微鏡之用途相當廣泛，包括：利用探針量測物表面及在微表面雕刻。精 密儀器中心利用原子力顯微鏡探針在氧化矽表面所得到的清大材料系徽，其氧化 層高度為3nm，最小線寬為50nm。
原子力显微镜(AFM)原理及应用讲解
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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。
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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。
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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。
原子力显微镜技术的原理和应用
原子力显微镜技术的原理和应用原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是一种利用压电陶瓷探针与样品之间的相互作用进行高分辨率成像的技术。
相比于传统的光学显微镜，原子力显微镜可以在纳米级别对样品表面形貌、力学性能、电学性质等进行非接触、高分辨率的观测和测量。
原理原子力显微镜的探针是由纳米尺寸的硅或氮化硅材料制成的，具有极高的机械强度和较小的弹性变形。
在扫描过程中，探针会通过扫描头的控制，使探针与样品表面接触，并在靠近距离内感受到样品表面的反弹力。
探针与样品表面之间的相互作用主要有万有引力、范德华力、静电力和化学键作用力等。
在不同的距离范围内，这些相互作用力数量级的变化可能非常大。
通过控制扫描头与样品之间的距离并检测探针反弹的强度，就可以获得样品表面的高分辨率图像。
应用原子力显微镜技术广泛应用于纳米材料和生物学领域中。
以下是原子力显微镜在不同应用领域中的应用情况：材料科学原子力显微镜技术对于纳米级别的材料表面形貌、结构、力学性能和电学性质的研究非常有用。
许多纳米材料例如碳纳米管、石墨烯和纳米线等，都具有特殊的表面结构和力学性能，这些特性是通过原子力显微镜技术进行高分辨率观测和测量得到的。
生命科学原子力显微镜技术可以用于生命科学中对细胞和蛋白质结构的研究。
通过原子力显微镜技术，科学家们可以研究单个分子的形态和机制，并观察生物分子的反应、扩散和结构变化等。
这项技术已经被用于细胞壁的形态学研究、蛋白质折叠过程的研究以及DNA结构的研究等。
纳米电子学原子力显微镜技术还可以用于纳米电子学中，特别是在研究半导体器件和纳米电子学元器件时。
举例来说，它被用于研究纳米晶体管的性能和导电性质，并且成功地对其器件的构造进行了重建和监测。
环境科学原子力显微镜技术可以用于对环境污染物的检测和监测。
例如，它可以用于研究气凝胶的形貌、结构和性质，与污染控制相关的表面湿润性研究等。
总体来说，原子力显微镜是一种高分辨率成像和测量技术，其应用带来了许多已知和未知领域的新见解和突破。
AFM-原子力显微镜PPT课件
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的组成
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AFM成像原理
原子力显微镜是一种通过研究样品表
面力同距离关系而获得样品表面形貌信 息的显微术。它不使用STM的金属探针， 而使用一个尖端附有探针的极灵敏的弹 簧壁来作为敏感元件，称之为微悬臂。
将微悬臂的一端固定（对微弱力极敏
感），另一端有一微小的针尖，针尖与 样品表面轻轻接触。针尖尖端原子与样 品表面的原子间存在极其微弱的排斥力。 随后可通过以下两种工作模式中的任何 一种得到表面形貌有关的信息，然后经 过计算机采集、处理，最后成像。
为了准确反应出针尖相对于样品表面微弱的力的变化， Cantilever和针尖的制备是十分关键的，是决定AFM灵 敏 度 的 核 心 ， 因 此 AFM 仪 器 的 发 展 过 程 实 际 上 是 Cantilever的不断改进的过程。
Cantilever通常要满足以下条件：（1）较低的力的弹 性系数；（2）高的力学共振频率；（3）高的横向刚性； （4）尽可能短的悬臂长度；（5）Cantilever需要配有 镜面或者电极，使得能通过光学或者隧道电流方法检测其 动态位移；（6）带有一个尽可能尖锐的针尖。
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➢ 可实时地观测表面的三维立体图像，这种实时观测的性能 可用于表面扩散等物理化学过程的监视、检测。
原子力显微镜简介PPT课件
引起该相移的因素很多，如样品的组分、 硬度、粘弹性质等。因此可在纳米尺度上获 得样品表面局域性质的丰富信息。
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AFM的工作环境
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：真空环境可以避免大气中杂质和水膜的干扰，但其 操作较复杂。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。 (2)气相环境：气相环境中，AFM多受样品表面水膜干扰，但其操 作比较容易，它是广泛采用的一种工作环境。它可以在空气中 研究任何固体表面，不受样品导电性的限制。 (3)液相环境：液相环境中，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可以在液相 中研究样品的形貌，其应用十分广阔，可用于生物体系、腐蚀 或液固界面的研究。 (4)电化学环境：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。
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云母的原子像（接触模式）
DVD光盘表面（接触模式）
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蝴蝶翅膀的AFM成像
云母片上的抗体分子的 AFM成像
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生物样品
λ-DNA
霍乱菌
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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
STM针尖移动原子形成的图形文字
原子力显微镜AFM精品PPT课件
➢ 两种测量模式
（1）等高测量模式： 探针以不变高度在试件表面扫描，隧 道电流随试件表面起伏而变化，从而 得到试件表面形貌信息。
（2）恒电流测量模式：
探针在试件表面扫描，使用反馈电 路驱动探针，使探针与试件表面之 间距离（隧道间隙）不变。此时探 针移动直接描绘了试件表面形貌。 此种测量模式隧道电流对隧道间隙 的敏感性转移到反馈电路驱动电压 与位移之间的关系上，避免了非线 性，提高了测量精度和测量范围。
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
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AFM实物照片
扫描探针 磁盘图像
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正是因为AFM工作时不需要探测隧 道电流，所以它可以用于分辨包括绝缘体 在内的各种材料表面上的单个原子，其应 用范围无疑比STM更加广阔。但从分辨 率来看，AFM要比STM略微低一些。
发展历史 工作原理
应
用
基本原理 仪器构成 工作模式
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扫描隧道显微测量（STM）
➢ 扫描隧道显微镜1981年由在IBM瑞士苏黎世实验室工作
的G.Binning
和
H.Rohrer
发明，可用于观察物体
A
级的表
面形貌。被列为20世纪80年度世界十大科技成果之一，
1986年因此获诺贝尔物理学奖。
G.Binning
◆ 在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”， 而出现一系列新现象和规律。量子效应、波动特性、 微观涨落等不可忽略，甚至成为主导因素。
◆ 纳米技术研究的主要内容
➢纳米级精度和表面形貌测量及表面层物理、化学性能 检测； ➢纳米级加工； ➢纳米材料； ➢纳米级传感与控制技术； ➢微型与超微型机械。
《原子力显微镜系统》课件
开发多模式原子力显微镜，具备多种探测功能，如振动模式、电流 模式等，以便更全面地了解样品性质。
应用领域的拓展
生物医学领域
利用原子力显微镜观察生物大分子结构和细胞表面的形貌，为疾 病诊断和治疗提供有力支持。
能源领域
研究电池材料、太阳能电池等能源器件的表面结构和性能，提升 能源利用效率。
环境领域
常见故障排除
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图像问题
检查光源、镜头、样品等 是否正常，确保图像质量 。
仪器失灵
检查仪器线路连接、电源 等是否正常，确保仪器正 常运行。
数据异常
检查数据采集、处理等环 节是否正常，确保数据准 确性。
定期保养与校准
保养
按照厂家推荐的保养周期 ，对仪器进行全面保养。
校准
定期对仪器进行校准，确 保测量结果的准确性。
扫描装置通常由微机械加工技术制造，具有极高的定位 精度和稳定性。
扫描范围可以从几微米到几毫米，具体取决于不同的应 用需求。
反馈系统
反馈系统负责实时监测针尖与 样品之间的相互作用力，并根 据反馈信号调整悬臂的位置，
以保持力恒定。
反馈系统通常由一个差分电容 传感器和一个PID控制器组成。
差分电容传感器能够检测悬臂 的微小位移，并将其转换为电 信号。
《原子力显微镜系统 》PPT课件
目录
CONTENTS
• 原子力显微镜系统概述 • 原子力显微镜系统组成 • 原子力显微镜系统操作流程 • 原子力显微镜系统的维护与保养 • 原子力显微镜系统的未来发展与展望
01 原子力显微镜系统概述
原子力显微镜的定义
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原子力显微镜是一种利用原子间 微弱作用力来观察物质表面结构 的仪器。
原子力显微镜的实验原理和应用
原子力显微镜的实验原理和应用原子力显微镜又称作扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy），是一种高分辨率的表面显微镜。
与传统的光学显微镜和电子显微镜不同，原子力显微镜可以在原子尺度下进行观察，能够接近甚至达到原子级别的分辨率，可以对样品表面的形貌和电学性质进行研究，应用十分广泛。
原理原子力显微镜的基本原理是在样品表面和微小的扫描探头（针尖）之间产生晶格力作用，利用针尖的扫描探测样品表面均匀的电子密度分布。
探头的尖端与样品表面的原子产生相互作用，产生一个吸引或排斥的作用力，这个力的大小和方向都会发生改变，因而在探头和样品表面之间会出现来回晃动的微小变化。
原子力显微镜是通过测量探针与样品表面之间的力来获取样品表面的形貌等信息的。
在扫描的过程中，探针不停地沿着扫描方向（x和y坐标轴）上下震动，保持在一个非常接近于样品表面的距离（一般是几纳米）。
然后就可以计算出样品表面上各个点离探针的距离。
这里所测量到的距离，比传统光学显微镜或电子显微镜的分辨率高很多，并且该技术还可以在空气、液体等多种环境下使用。
应用原子力显微镜具有极高的分辨率，因此应用范围非常广泛。
以下是一些常见的应用领域：1.纳米科学研究原子力显微镜的分辨率可以达到纳米级别，可以研究各种材料在纳米尺度下的表面结构和形貌。
因此，它非常有用于研究纳米科学领域，如纳米材料合成、磁性材料、生物分子等。
2.生物医学研究原子力显微镜可以用来研究生物分子，如蛋白质、DNA、RNA 等，这对研究生物学和医学非常有用。
利用原子力显微镜还可以研究细胞表面的形态学变化、细胞生物物理性质和细胞内分子运动。
3.材料科学研究原子力显微镜的高分辨率使其非常适合研究材料性质、材料表面微观结构、材料加工以及材料在不同条件下的变化。
例如，原子力显微镜可以研究金属、半导体、掺杂材料、催化剂和涂层等材料的表面形貌和电学性质。
4.纳米机器人研究原子力显微镜可以操作单个原子或分子，这为构建纳米机器提供了可能。
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及应用
原子力显微镜的原理及应用1. 原子力显微镜的原理原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种基于探针与样品之间的相互作用力进行显微观测的仪器。
它利用微小探针在纳米尺度上与样品表面的相互作用力，通过测量探针的位移或力的变化，实现对样品表面形貌和性质的高分辨率表征。
1.1 原子力显微镜的探针•原子力显微镜的探针通常由单个或多个纳米尺寸的晶体材料制成，如硅、碳纳米管等。
探针的尖端具有非常尖锐的几何形状，其尺寸可以控制在纳米级别。
1.2 原子力显微镜的工作原理•原子力显微镜在扫描过程中，探针通过微小的弹簧力和表面之间的静电引力或范德华力等相互作用力与样品表面发生作用。
这些相互作用力的变化通过探针的位移或力的变化传递给检测系统，最终生成样品表面的形貌和性质图像。
2. 原子力显微镜的应用原子力显微镜在材料科学、表面物理和生物科学等领域有着广泛的应用。
下面列举了一些常见的应用领域。
2.1 材料表面形貌与性质分析•原子力显微镜能够对材料表面的形貌和性质进行高分辨率的表征，包括表面粗糙度、晶体结构、自组装行为等。
这对于材料的表面工艺和性能研究具有非常重要的意义。
2.2 生物样品的形态学研究•原子力显微镜可以对生物样品中的细胞、细胞器、蛋白质等进行高分辨率的形态学研究。
通过观察生物样品的表面形貌和结构，可以获取关于其生物学功能和病理变化的重要信息。
2.3 表面力学性能的表征•原子力显微镜可以通过对探针与样品之间的弹性变形进行测量，实现对样品的力学性能进行表征。
这对于材料的力学性能分析、薄膜的力学性质研究等具有重要意义。
2.4 纳米加工与纳米操控•原子力显微镜不仅可以用于纳米尺度下的观察，还可以通过在探针尖端施加微小力量，实现纳米级别的加工和操纵。
这对于纳米器件的制备和纳米材料的操控具有非常重要的应用前景。
2.5 电磁性能的表征•原子力显微镜可以通过测量在电磁场作用下样品表面的位移或力的变化，实现对电磁性能的表征，包括电容、导电性等。
原子力显微镜(AFM)原理及应用讲解
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。
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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）。
AFM介绍
讲解人：xxx
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AFM起源：
什么是AFM？
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。
原子力显微镜就是利用原子之间微妙的关系 来把原子样子给呈现出来。
4 AFM的工作过程
5 AFM的硬件结构
• 力检测系统
在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 子之间力的变化量。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。
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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 ppt课件
慢速高分辨率扫描成像示出更多的细节
随着扫描速度的提升，图像的拉伸变形越来 越严重
随着扫描速度的提升，图像的拉伸变形越来越 严重，实际上当速度达到1．00s每幅时，扫描 范围已经比1．59m要小。结果显示在2．00s 每幅时仍能保持较好的在大的视场中使用较低 分辨率的快速扫描，观察样品表面的变化，然 后对于感兴趣的部分进行高分辨率的慢速扫描 的新方法，其应用将会越来越广泛。
1在材料科学方面，可以使用原子力显微镜对 材料表面进行扫描，观察样品表面粗糙情况或 波纹情况，为样品表面膜性能提供信息，且探 针不会对样品表面造成损伤。
2在生物科学方面，原子力显微镜检测生物样 品具有制备样品简单，样品无需特殊处理，能 在多种环境中操作。因此，可以使用原子力显 微镜对生物分子扫描成像，观察细胞的动态信 息，还可以对生物分子进行纳米操作。
3原子力显微镜在膜科学中的应用
AFM出现前，电子显微镜是微电子学的标准研 究工具，它的分辨率可以达到几个纳米量级。 但是要求在样品表面涂覆金属并在真空中成象 ，三维分辩能力差，而且发射的高能电子可会 损坏样品而造成偏差。尤其是对活性样品电子 显微镜完全不能胜任。而AFM分辨率可以达到 原子量级，且对操作环境和样品制备没有特殊 的要求，其在膜技术中的应用自然就更为普遍 和广泛。
自STM问世以来，人们一直期望着能够准确地 表达出绝缘物质表面的真实形貌，而AFM就是 专为满足这些需求而出现的。AFM的实用化标 志着物质表面检测手段的重大革新，是微纳米 检测发展史上又一里程碑。
原子力显微镜的原理及使用
原子力显微镜的原理及使用原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种基于原子力相互作用原理的高分辨率显微镜。
它通过在扫描探针与样品表面之间施加微小力量，测量和绘制出样品表面的形貌和力学性质。
与其他显微镜相比，原子力显微镜具有极高的分辨率和灵敏度，能以原子甚至分子级别观察样品。
原理：原子力显微镜的工作原理基于原子尖端与样品表面之间的相互作用。
在扫描探针尖端和样品表面之间，施加微小的力量（约为纳牛顿级别），探针的弹性偏转将力的大小和方向传递给探测器，从而得到力的信息。
通过扫描样品表面并记录每个位置的力信息，可以绘制出样品的形貌图像。
在原子力显微镜中，主要有三种模式的操作：接触模式、非接触模式和侧向力模式。
在接触模式中，探针尖端直接接触样品表面，通过在探针和样品之间施加恒定的力，测量表面的形貌。
在非接触模式中，探针尖端悬浮在样品表面之上，仅通过测量探针与样品之间的相互作用力，获取样品表面的形貌信息。
在侧向力模式中，除了测量垂直于样品表面的力，还测量样品表面上的侧向力，可以获得样品的力学性质和摩擦特性。
使用：1.表面形貌研究：原子力显微镜可以以原子级别的分辨率观察样品表面的形貌，用于研究材料的微观结构、晶体生长和表面粗糙度等。
例如，用于研究纳米颗粒、纳米线和表面薄膜等材料。
2.生物学研究：原子力显微镜对于生物学研究非常重要，可以实时观察和测量生物大分子（如蛋白质、DNA）的结构和相互作用力。
通过测量生物分子的力学性质，可以了解细胞力学特性、膜蛋白的功能和抗体与抗原的相互作用等。
3.材料力学性质研究：原子力显微镜可以测量样品表面的力学性质，如硬度、弹性模量和摩擦力等。
这些信息对于材料科学和工程应用具有重要意义，可以帮助研究人员设计和改进材料的性能。
4.磁性材料研究：原子力显微镜还可以用于研究磁性材料的表面形貌和磁性特性。
通过在磁场中操作探针，可以测量和操控样品表面的磁场分布，用于磁性材料的研究和应用。
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目录：
• AFM的发展历史 • AFM的原理 • AFM的分类 • AFM机器的组成 • 影响AFM分辨率的因素 • AFM技术应用举例 • 照片举例 • AFM的缺点
高级显微镜
• 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）
• 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cantilever的末端时，其反射光的 位置也会因为cantilever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，以供控制器作信号处 理。
接触式原子力显微镜
• 接触式AFM是一个排斥性的模式，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。
• 由于是接触式扫描，在接触样品时可能会 是样品表面弯曲。
• 经过多次扫描后，针尖或者样品有钝化现 象。
特点：
• 通常情况下，接触模式都可以产生稳定的、 分辨率高的图像。但是这种模式不适用于 研究生物大分子、低弹性模量样品以及容 易移动和变形的样品。
隧道效应
• 经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小 于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行车 过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。 如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。
• 量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向 势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好像有一个 隧道，故名隧道效应（quantum tunneling）。可见，宏观上 的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下， 隧道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小，但在 某些特丁的条件下宏观的隧道效应也会出现。
特点：
• 对于一些与基底结合不牢固的样品，轻敲 模式与接触模式相比，很大程度地降低了 针尖对表面结构的“搬运效应”。
• 样品表面起伏较大的大型扫描比非接触式 的更有效。
间歇接触式（tapping mode）
原子力显微镜的构成
在原子力显微镜的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检 测部分、反馈系统。
特点：
• 由于为非接触状态，对于研究柔软或有弹 性的样品较佳，而且针尖或者样品表面不 会有钝化效应，不过会有误判现象。这种 模式的操作相对较难，通常不适用于在液 体中成像，在生物中的应用也很少。
非接触式（non contact mode）
间歇接触式原子力显微镜
• 微悬臂在其共振频率附近做受迫振动，振 荡的针尖轻轻的敲击表面，间断地和样品 接触。当针尖与样品不接触时，微悬臂以 最大振幅自由振荡。当针尖与样品表面接 触时，尽管压电陶瓷片以同样的能量激发 微悬臂振荡，但是空间阻碍作用使得微悬 臂的振幅减小。反馈系统控制微悬臂的振 幅恒定，针尖就跟随表面的起伏上下移动 获得形貌信息。
• 2. 非接触模式（Non-Contact Mode）：作用力在引力范 围，包括范德华力、静电力或磁力等。
• 3. 轻敲模式（Tapping Mode） • 4. Interleave模式（Interleave Normal Mode/Lift Mode） • 5. 力调制模式（Force Modulation Mode） • 6. 力曲线模式（Force Curve Mode）
接触式（ contact mode）
非接触式原子力显微镜
• 在非接触模式中，针尖在样品表面的上方 振动，始终不与样品接触，探测器检测的 是范德华作用力和静电力等对成像样品没 有破坏的长程作用力。
• 需要使用较坚硬的悬臂（防止与样品接 触）。
• 所得到的信号更小，需要更灵敏的装置， 这种模式虽然增加了显微镜的灵敏度，但 当针尖和样品之间的距离较长时，分辨率 要比接触模式和轻敲模式都低。
• 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
• 1983年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学 家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了 扫描隧道显微镜（STM）
• 应用电子的“隧道效应”这一原理，对导 体或半导体进行观测
恒定力量或者恒定高度
探针如何成像
表面形貌和材料如何测量
垂直信號的變化 即樣本的表面變化
水平信號的變化 即樣本的材質變化
Z XY
•
Caover
Mover
Cantilever 擺動 的方向
AFM有多种工作模式
• 1. 接触模式（Contact Mode）：作用力在斥力范围，力 的量级为10－9∼10－8N，或1∼10eV/Å。可达到原子级 分辨率。
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
返 回
成像原理
atom atom
atom atom
Expulsive force
Attractive force
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。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。
• 类似非接触式AFM，比非接触式更靠近样 品表面。损害样品的可能性比接触式少 （不用侧面力，摩擦或者拖拽）。
• 轻敲模式的分辨率和接触模式一样好，而 且由于接触时间非常短暂，针尖与样品的 相互作用力很小，通常为1皮牛顿（pN）～ 1纳牛顿（nN），剪切力引起的分辨率的降 低和对样品的破坏几乎消失，所以适用于 对生物大分子、聚合物等软样品进行成像 研究。