第七章 原子力显微镜分析
《原子力显微镜》课件
未来发展趋势
未来，原子力显微镜技术将进一步提高分辨率和扫 描速度，并应用于更多领域。
七、参考文献
1 相关学术论文
1. Title 1 2. Title 2 3. Title 3
2 专业书籍
1. Title A 2. Title B 3. Title C
二、工作原理
探针的作用
原子力显微镜使用微小的探针探测物质表面，获得原子级别的高分辨率图像。
检测原理
通过探测器记录探针的弯曲变化，从而推断物体表面的高度和形貌。
显示方法
利用电子信号将探测到的数据转化为高清图像，可实时显示。
三、应用领域
表面形貌和结构分析
原子力显微镜可用于观察材料 表面的形貌和结构，帮助研究 纳米级别的材料。
《原子力显微镜》PPT课 件
本课件将介绍原子力显微镜的工作原理、应用领域和优缺点分析，以及操作 和维护的常见问题解答。
一、前言
什么是原子力显微镜
原子力显微镜是一种高分辨率的显微镜，能够 观测到物质的原子尺度细节。
发展历史
原子力显微镜于1986年由Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明，获得了诺贝尔奖。
原子力显微镜的分辨率可达到纳米级别，扫描范围取决于探针的尺寸和扫描区域。
如何正确操作原子力显微镜
正确操作原子力显微镜需要进行样品制备、参数设置和扫描操作等步骤。
原力显微镜的维护
维护原子力显微镜需要保持清洁，及时更换探针并进行校准。
六、结论
原子力显微镜对科学研究的重要性
原子力显微镜在纳米级别材料研究和生物学研究中 发挥着重要作用。
纳米尺度材料表征
该技术可用于研究纳米颗粒、 纳米管和纳米线等纳米材料的 特性。
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。
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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。
原子力显微镜基本成像模式分析及其应用
原子力显微镜基本成像模式分析及其应用原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）是一种能够观测极小尺寸物体表面的显微镜技术。
它的工作原理是通过将探针靠近样品表面并测量探针与样品间的相互作用力来完成成像。
由于其高分辨率和精确度，AFM在物质科学、生物学、纳米科学等领域被广泛应用。
本文将详细介绍AFM的基本成像模式及其应用。
AFM的基本成像模式主要包括力-距离（force-distance）模式、接触（contact）模式和非接触（non-contact）模式。
力-距离模式是AFM最早的成像模式。
在这种模式下，探针与样品表面之间的相互作用力将驱动探针的运动，探针与样品间的相互作用力通过弹性力传感器（cantilever）检测并测量。
力-距离模式适用于粗略的样品表面测量和力谱分析。
接触模式是AFM中应用最广泛的成像模式之一、在接触模式下，探针与样品表面接触并保持一定的力。
探针在样品表面上扫描，通过跟踪探针与样品表面间的力变化来构建样品的拓扑图像。
接触模式适用于对表面形貌的高分辨率成像。
非接触模式是一种高灵敏度的成像模式。
在非接触模式下，探针与样品表面之间不存在实际的接触，而是通过控制探针与样品表面之间的作用力来保持一定的间距。
通过测量探针与样品间的力变化，可以得到样品表面的形貌信息。
非接触模式适用于对表面颗粒、分子等微观结构的成像。
除了基本的成像模式，AFM还有许多进一步发展的技术和模式，如谐振频率模式、磁力显微镜模式、电流通道模式等。
这些模式可以通过控制探针的运动方式和样品的特性来实现不同的应用需求。
AFM的应用非常广泛。
在材料科学领域，AFM可以用于研究材料表面的形貌、粗糙度、纳米结构等特性，为材料的设计和改进提供重要信息。
在纳米科学领域，AFM可以用于纳米颗粒的成像和表征、纳米结构的操控和表征等。
在生物学领域，AFM可以用于研究生物分子的结构和相互作用、生物细胞的形态和力学性质等。
原子力显微镜实验中的操作技巧与成像分析
原子力显微镜实验中的操作技巧与成像分析原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种先进的显微镜技术，在纳米科学研究和表面分析领域具有重要的应用价值。
本文将介绍原子力显微镜实验中的操作技巧与成像分析，希望能为研究人员提供一些参考和指导。
一、原子力显微镜的基本原理原子力显微镜是通过探测样品表面的微小力变化来获取高分辨率的表面形貌信息的。
它的主要构成部分包括扫描探头和力传感器。
扫描探头通常采用微弹簧悬臂，悬臂尖端有一个纳米尺寸的金属探针。
通过扫描头的运动，探针可以在样品表面进行扫描，并感知表面的力变化。
力传感器是用来检测扫描探头与样品之间的相互作用力的。
常见的力传感器包括光电二极管、激光干涉仪等。
二、原子力显微镜的操作技巧1. 样品的准备与固定在进行原子力显微镜实验之前，首先需要准备好样品，并将其固定在试样台上。
对于固态材料，可以使用双面胶等方式将样品固定在试样台上。
对于液态样品，宜选择适当的液环来固定样品。
2. 扫描参数的设定扫描参数的设定对于获取高质量的成像结果至关重要。
主要的参数包括扫描大小、扫描速度、扫描力等。
合理设定这些参数可以提高成像的分辨率和稳定性。
3. 扫描模式的选择原子力显微镜有多种扫描模式，常见的有接触力显微镜模式、非接触力显微镜模式等。
合理选择扫描模式能够更好地适应不同的样品和实验要求。
4. 标定和校准在进行实验之前，需要对原子力显微镜进行标定和校准。
这能够保证实验结果的准确性和可重复性。
三、原子力显微镜成像分析1. 表面形貌分析原子力显微镜可以通过直接扫描样品表面来获取其高分辨率的形貌信息。
通过分析得到的图像，可以揭示材料表面的微观结构、凹凸和纳米尺寸的特征等。
2. 力-距离曲线原子力显微镜还可以通过记录扫描探头与样品之间的力-距离曲线来分析样品的物理和力学性质。
例如，可以通过测量弹簧悬臂的弹性变形来计算样品的杨氏模量和力-距离曲线的斜率。
3. 分子间相互作用力的研究原子力显微镜还可以用于研究分子间的相互作用力，如范德华力、静电力等。
原子力显微镜的原理及应用ppt课件
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
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成像原理
atom atom
atom atom
Expulsive force
Attractive force
5）光束偏转法。此方法由Meyer和Amer于 1988年发明，简便实用，广泛应用于目前 的商品化仪器。
须指出，由于针尖—样品之间的作用力是 微悬臂的力常数和形变量之积，所以无论 哪种检测方法，都应不影响微悬臂的力常 数，而且对形变量的检测须达到一纳米以 下。
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AFM应用技术举例
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，且不受样品导 电性质的限制，因此已获得比STM更为广泛的 应用。主要用途：
1. 导体、半导体和绝缘体表面的高分辨成像 2. 生物样品、有机膜的高分辨成像 3. 表面化学反应研究 4. 纳米加工与操纵
5. 超高密度信息存储 6. 分子间力和表面力研究 7 摩擦学及各种力学研究 8 在线检测和质量控制
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IBM科学家首次拍下单分子照片
二氧化锡薄膜
3、尽量避免针尖和样品表面的污染。如果针尖上有污染物， 就会造成与表面之间的多点接触，出现多针尖现象，造成假 像。如果表面受到了污染，在扫描过程中表面污染物也可能 粘到针尖上，造成假像的产生。
4、控制测试气氛，消除毛细作用力的影响。由于毛细作用力 的存在，在空气中进行AFM成像时会造成样品与针尖的接触面 积增大，分辨率降低。此时，可考虑在真空环境下测定，在 气氛控制箱中冲入干燥的N2，或者在溶液中成像等。溶液的 介电性质也可以影响针尖与样品间范德华作用力常数，从而 有可能减小它们之间的吸引力以提高成像分辨率。不过液体 对针尖的阻尼作用会造成反馈的滞后效应，所以不适用于快 速扫描过程。
原子力显微镜分析
三.AFM 操作模式
1.接触式 (contact mode)
2.非接触式 (non-contact mode)（亦即 VDW 模式）
3.轻敲式 (tapping mode or intermittent contact mode)
4.相移模式
1.接触模式
将一个对微弱力极敏感的微悬臂的一端固定，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排斥力（10-8～10-6N），由 于样品表面起伏不平而使探针带动微悬臂弯曲变化，而微悬 臂的弯曲又使得光路发生变化，使得反射到激光位置检测器 上的激光光点上下移动，检测器将光点位移信号转换成电信 号并经过放大处理，由表面形貌引起的微悬臂形变量大小是
2.光学偏转法检测的原子力显微镜的原理
半导体激光器所发激光经准直聚焦后 照到微悬臂的背 面，微悬臂的背面镀有金膜，相当于一面反射镜，经微悬 臂反射的激光束照到一个二象限光电探测器上。样品固定 在压电陶瓷管上，并一起随压电陶瓷管在扫描电路控制下 沿X，Y方向扫描，并且在Z方向可以伸缩。如果微悬臂探针 同样品间的相互作用使微悬臂在Z方向产生位移，那么反射 束将在二象限光电探测器上移动。在二象限光电探测器中 两个光电管的交界处，光斑的移动同二象限信号的差值有 良好的线性关系，取二象限信号差值作为表面形貌信息。
（二）光学偏转法检测的原子力显微镜
1.结构原理图：
右图为激光 偏转检测法示意 图，其结构组成 分为三个部分： 力检测部分、 位置检测部分、 反馈系统。
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。
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 子与原子之间的斥力或范德华力。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 100～500μm 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， 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。
原子力显微镜课件PPT
原子力显微镜的样本可以是生理状态的各种物质, 在大气条件或溶液中都能进行,因而只需很少或不 需对样品作前期处理,这样,就使AFM能观察任何活 的生命样品及动态过程。
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❖加工样品的力行为
测试样品的硬度和弹性等;AFM还能产生和 测量电化学反应。AFM还具有对标本的分 子或原子进行加工的力行为,例如:可搬移原 子，切割染色体，在细胞膜上打孔等等。
这些显微技术都是利用探针与样品的不同相互作用，来探测表 面或界面在纳米尺度上表现出的物理性质和化学性质。
扫描探针显微镜具有三个传统显微镜无法达到的重大突破
➢扫描探针显微镜具有极高度的解析力 ➢扫描探针显微镜具有三维立体的成像能力 ➢扫描探针显微镜可以在多种环境下操作
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• 原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由Binnig与史丹佛大学的Quate 于一 九八五年所发明的
2）非接触扫描成像模式
非接触扫描模式测量时，测量的作用力是以范德华力为主的吸引力，针尖－试件 间距离大致在5～20 nm。
非接触扫描测量模式的主要优点, 是探针和试件不接触，针尖测量时不会使试件 表面变形，适用于弹性模量低的试件，此外因针尖和试件不接触，测量不受毛细力的 影响，同时针尖也不易磨损。但非接触扫描测量模式测量灵敏度要低些。
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3. 原子力显微镜的总体结构组成
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3.2 原子力显微镜的测量和扫描模式
1. AFM检测的要求
探针尖和试件表面非常接近时，二者间的作用力极为复杂，有原子(分子、离子) 间的排斥力(库仑力)、吸引力(范德华力)、磁力、静电力、摩擦力(接触时)、粘附力、 毛细力等。AFM的检测成像用的是原子(分子、离子)间的排斥力(接触测量)或吸引力 (非接触测量)，而其他各种作用力对AFM的检测成像并无帮助，而只是起干扰影响作 用。
原子力显微镜PPT演示课件
生科院
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显微镜的分类
光学显微镜
显 微 镜
暗视野显微镜 实体显微镜 荧光显微镜 偏光显微镜 位相显微镜 倒置式显微镜 微分干涉显微镜 摄影显微镜
透射式电子显微镜
电子显微镜
扫描式电子显微镜
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扫描隧道显微镜、原子力显微镜
原子力显微镜
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原子力显微镜
原子力显微镜（Atomic Force Microscope ）简称
原子力显微镜技术在生物学领域的应用有赖于样品制备方法和 适合针尖-样品相互作用的缓冲液的研究。原子力显微镜现已 成为一种获得样品表面结构的高分辨率图像的有力工具。而更 为吸引人的是其观察生化反应过程级生物分子构象变化的能力， 因此，原子力显微镜在生物学领域中的应用前景毋庸置疑。而 对于原子力显微镜技术本身，以下几个方面的进展将更加有利 于它在生物学中的应用。大多数生物反应过程相当快速，原子 力显微镜时间分辨率的提高有助于这些过程的观察。生命科学 研究有其自身特点，需设计出适合生物学研究的原子力显微镜。 高分辨率是原子力显微镜的优势。其分辨率在理论上能达到原 子水平，但目前还没有实现，如何做出更细的针尖将有助于其 分辨率的进一步提高。
原子力显微镜可以作为一种力传感器来研究 分子间的相互作用。这是由于原子力显微镜理论 上能够感应10-14nm的作用力，能感应0.01nm的 位移，而接触面积可小到10n㎡.
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原子力显微镜 在研究物质超微结构中的应用
应用原子力显微镜(AFM)可以直接观察到表面缺陷、 表面重构、表面吸附体的形态和位置、以及有表面吸附体 引起的表面重构等。原子力显微镜(AFM)可以观察许多不 同材料的原子级平坦结构，例如，可以用原子力显微镜 (AFM)对DL－亮氨酸晶体进行研究，可观察到表面晶体分 子的有序排列，其晶格间距与X射线衍射数据相符。另外 原子力显微镜(AFM)还成功地用于观察吸附在基底上的有 机分子和生物样品，如，三梨酸、DNA和蛋白质的表面。
原子力显微镜实验报告
原子力显微镜实验报告一，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。
扫描隧道显微镜(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。
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，推出了原子力显微镜(AFM)O 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。
除物理，化学生物等领域外，AFM在为微电子，微机械学，新型材料，医学等领域有着广泛的应用，以STM ffi AFM⅛基础，衍生出一系列的扫描探针显微镜，有激光里显微镜，磁力显微镜，扫描探针显微镜主要用于对物质表面在纳米线上进行成像和分析。
，实验目的1了解原子力显微镜的工作原理2掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法，原子力显微镜结构及工作原理(1)AFM的工作原理在原子力显微镜的系统中, 主可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统要工作原理如下图：原子力显微镜的工作原理图在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。
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，因而会使反射光的位置改变而造成偏移量，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，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。
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。
第七章 原子力显微镜分析
例：云母表面的AFM像
云母表面结构图
扫描范围： 5nm×5nm X方向扫描速度为 30Hz
光盘表面的AFM图
扫描范围3.2um×3.2um, X方向的扫描速度30Hz
原子搬运
扫描范围：47nm×24nm
红细胞的原子力显微镜形貌图
几种其它扫描探针显微镜
1.磁力显微镜（MFM）
磁力显微镜（ Magnetic Force Microscopy,MFM ） 也是使用一种受迫振动的探针来扫描样品表面，所不同 的是这种探针是沿着其长度方向磁化了的镍探针或铁探 针。当这一振动探针接近一块磁性样品时，探针尖端就 会像一个条状磁铁的北极和南极那样，与样品中磁畴相 互作用而感受到磁力，并使其共振频率发生变化，从而 改变其振幅。这样检测探针尖端的运动，就可以进而得 到样品表面的磁特性。
二. 特点：
1.AFM（Atomic Force Microscope）是以STM为基础，和 STM为类似技术的扫描探针显微镜，它是通过研究样品表 面与针尖原子间的作用力同距离的关系而获得样品表面 形貌信息的显微术。 2.它不象STM使用金属探针，而是使用一个尖端附有探针的 极灵敏的弹簧臂来作力敏元件，称之为微悬臂。当微悬 臂接近样品表面时，探针和样品表面原子力将产生相互 作用。 3.当距样品较远时（0.2nm—10nm），主要是范德瓦尔斯力 （Van Der Waals Force，简称VDW）起作用； 4.距离较近时主要是排斥力起作用。排斥力的大小取决于针 尖与样品表面的原子的接近程度。
3.弹道电子发射显微术（BEEM）
弹道电子发射显微镜是在扫描隧道显微镜的 基础上发展起来的，它所用的样品是由金属 /半 导体或半导体/半导体构成的肖特基势垒异质结。 当针尖被调节到接近异质结表面时通过真空隧 道效应，针尖向金属 /半导体发射弹道电子。通 过观察针尖扫描时各点的基极-收集极电流Ic和Z 电压Vz，可以直接得到表面下界面结构的三维图 象和表面形貌。右图为 Au/GaAs(100) 肖特基势 垒结构的STM形貌象（上）和 BEEM象（下），二 者是同时采集的。
7-原子力显微镜
4. 聚焦化学反应制备纳米尺度的微结构
导电AFM针尖诱导局域化反应
sample scanner
导电AFM针尖诱导铬表面的局 域氧化(a)及分形生长结构(b)
Fe(CN )6
Example: 硅表面磁性材料的合成及其图案化 E0 (Fe(CN)63-/4-) = 0.356 V (vs NHE) E0 (Fe3+/2+) = 0.771 V (vs NHE)
J. Am. Chem. Soc., 1995, 117: 7943
Force titration curve of surface carboxylic acid groups obtained with OH-terminated tip
2.2 羟基针尖滴定SAM膜表面氨基
MOL CRYST LIQ CRYST 337: 301-304 1999
AFM 原理
云母表面原子成像
• 精密的PZT驱动样品在三维方向 运动（XZ：0.2nm, Y：0.01nm）； • 微探针接触在样品表面，并通过 激光系统检测探针形变； • 样品形貌高低起伏使探针的形变 发生改变，记录下Scanner 的Z方 向运动的轨迹，就可以获得样品 表面的形貌。 • 通过检测探针与样品间的作用力 可以获得样品很多物性的信息， 如软硬度、磁力、摩擦力等等。
表面纳米构筑(3) Nanoshaving (AFM)
Using solvent (ethanol) avoids readosrption of thiol
160x160 nm2 topgraphic images of C18S/Au(111)
Shaved thiol with 50x50 nm2
2、Atomic Force Microscopy (AFM)
原子力显微镜原理及操作流程讲义
原子力显微镜原理及操作流程讲义一、原子力显微镜的原理1.相互作用力的测量AFM利用一个非弹性的探针来感知样品表面和探针之间的相互作用力，这种力包括引力、斥力、摩擦力等。
通常情况下，探针通过压电晶体驱动，使其随着样品表面的形貌变化而移动，然后通过探针的振动分析探针与样品之间的相互作用力。
2.记录相互作用力的变化AFM中的扫描头会在样品表面进行移动，同时实时记录探针在各个位置处的相互作用力的变化，在计算机中生成一个力曲线。
通过对这些力曲线的分析，可以获得样品的表面形貌信息。
3.形成图像最后，利用计算机对力曲线进行处理和分析，并在一个图像平面上显示出样品表面的形貌，形成原子级分辨率的图像。
这种图像可以清晰地显示出样品表面的凹凸不平，甚至可以分辨出单个原子的位置。
二、原子力显微镜的操作流程1.准备工作首先需要对AFM进行准备，包括打开设备电源，检查探针是否安装正确，并校准扫描仪的各个参数。
2.选择扫描区域根据需要观察的区域，使用光学显微镜或者扫描电子显微镜来确定样品表面的位置，并将其对准到扫描范围内。
3.定义扫描参数通过在控制软件中设置扫描参数，包括扫描速度、扫描范围、采样点数等。
4.扫描样品将样品放置在AFM扫描台上，并通过控制软件开始扫描。
在扫描过程中，探针将会在样品表面进行移动，并测量相互作用力的变化。
5.数据分析与图像处理扫描结束后，将会得到一组原子级分辨率的数据，通过计算机软件对数据进行处理和分析，包括平均滤波、高斯滤波、拟合等处理方法。
然后将处理后的数据转化为图像，用于观察和分析。
6.数据展示将处理后的图像进行保存、打印或导出，以便进一步的研究和分析。
总结：原子力显微镜通过测量探针与样品表面之间的相互作用力的变化，实现了对样品表面的高分辨率成像。
其操作流程主要包括对设备进行准备、选择扫描区域、定义扫描参数、扫描样品、数据分析与图像处理以及数据展示。
通过这一系列的操作步骤，可以获得原子级分辨率的样品表面形貌图像，对于表面形貌的研究具有非常重要的意义。
原子力显微分析(AFM)
4.1.1 纳米粉体材料样品制备
对纳米粉体材料，应尽量以单 层或亚单层形式分散并固定在基片上， 应该注意以下三点：1)选择合适的溶 剂和分散剂将粉体材料制成浓度较低 的溶胶，必要时采用超声分散以减少 纳米粒子的聚集，以便均匀地分散在 基片上；
4.1.1 纳米粉体材料样品制备
2)根据纳米粒子的亲疏水特性、 表面化学特性等选择合适的基片。常 用的基片有云母、高序热解石墨 (HOPG)、单晶硅片、玻璃、石英等。 如果要详细地研究粉体材料的尺寸、 形状等性质，就要尽量选取表面原子 级平整的云母、HOPG等作为基片；
是在扫描过程中利用反馈系统精确控 制探针使它随试样表面形貌在z方向 上下移动，保持针尖和样品之间的作 用力恒定，即保持微悬臂的变形量不 变。记录探针针头的z方向移动值可 得出试样表面形貌。
3.1 接触式成像模式
恒高模式(Constant Height Mode)是 在针尖的x、y扫描过程中保持针尖与试 样间的距离恒定，检测器直接测量微悬 臂z方向的形变量来成试样形貌像。由于 不使用反馈回路，该方式扫描速度高， 从而降低了热漂移效应。但该方式对于 表面起伏较大的样品不适合。
1. 引言
尽管STM有着现代许多表面分 析仪器所不能比拟的优点，但由其工 作原理所造成的局限性也是显而易见 的，它不能用来直接观察研究绝缘体 样品和有较厚氧化层的样品。为了弥
补 这 一 不 足 ， 1986 年 Binnig ， Quate 和 Gerber发明了第一台AFM。
1. 引言
AFM利用原子之间的范德瓦尔斯力 (Van Der Waals Force)作用来呈现样品的 表面形貌，其横向分辨率可达0.15nm， 纵向分辨率可达0.05nm。 AFM应用范围 比STM更广泛，除可以研究导体、半导 体、绝缘体材料的表面形貌和结构外， 还可以研究材料的弹性、塑性、硬度、 摩擦力等微区性质。
现代材料分析方法原子力显微镜
现代材料分析方法原子力显微镜引言：原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是一种重要的现代材料分析方法。
它是扫描探针显微技术的延伸，能够在纳米尺度上实现高分辨率的表面形态观察与力学性质测量。
本文将对原子力显微镜的原理、工作方式以及在材料分析中的应用进行详细介绍。
一、原子力显微镜的原理原子力显微镜是通过采用一根非常细微的探针来扫描样品表面，然后利用由探针与样品表面之间的相互作用引起的微小位移或力的变化，来获取表面形貌的一种显微仪器。
原子力显微镜的操作原理可以概括为以下几个步骤：1.将探针靠近样品表面，形成近邻距离；2.探针与样品表面之间的相互作用（通常为范德华力和弹性力）引起探针的振幅或共振频率的改变；3.根据这些变化，通过对探针进行调节使得探针与样品之间的相互作用恒定；4.再根据探针的运动调整探针离开样品的高度，保持探针与样品之间的恒定力。
二、原子力显微镜的工作方式原子力显微镜可以通过不同的工作方式来获得不同的信息。
1.接触模式：探针与样品之间保持接触，并测量在探针与样品之间的范德华力改变时探针的位移而获得表面形貌。
探针与样品的接触会引起样品表面的损伤，不适合对脆性材料的表面进行观察。
2.非接触模式：探针与样品之间存在离散的范德华力。
探针通过振动，在探针和样品之间测量相互作用的变化。
非接触模式适用于对脆性材料和生物样品的观察。
3.谐振模式：探针在谐振频率附近振动，在探针和样品之间测量相互作用的变化。
谐振模式可以获得高分辨率的表面形貌和弹性性质。
三、原子力显微镜在材料分析中的应用原子力显微镜在材料科学领域有广泛的应用，可以用于表面形貌观察、力学性质测量、电学性质研究等方面。
1.表面形貌观察：原子力显微镜具有高分辨率，可以实现对表面纳米结构的直接观察。
通过扫描样品表面，可以获取材料表面的形貌、粗糙度和形貌特征等信息。
2.力学性质测量：原子力显微镜可以通过测量探针和样品之间的相互作用力来获得样品的力学性质。
原子力显微镜实验报告
原子力显微镜实验报告一、实验目的。
本实验旨在通过使用原子力显微镜，观察并研究样品表面的微观结构和表面形貌，以及了解原子力显微镜的工作原理和操作方法。
二、实验原理。
原子力显微镜是一种利用原子间相互作用力来测量样品表面形貌和性质的显微镜。
其工作原理是通过探针与样品表面的相互作用力来实现对样品表面的高分辨率成像。
原子力显微镜可分为接触式原子力显微镜和非接触式原子力显微镜两种类型。
三、实验步骤。
1. 打开原子力显微镜，进行预热和调试，确保仪器处于正常工作状态；2. 准备样品，将样品固定在样品台上，并调整样品位置，使其处于最佳观察位置；3. 调节原子力显微镜的参数，包括扫描速度、扫描范围、探针的高度等；4. 开始扫描样品表面，观察样品表面的微观结构和形貌；5. 根据实验要求，对样品进行不同区域的扫描和观察；6. 完成实验后，关闭原子力显微镜，并进行数据保存和分析。
四、实验结果与分析。
通过原子力显微镜观察，我们成功获取了样品表面的高分辨率图像，并对样品表面的微观结构和形貌有了深入的了解。
我们发现样品表面存在一定的粗糙度和微观凹凸结构，这些结构对样品的性质和功能具有重要影响。
通过对样品不同区域的扫描和比较，我们还发现了样品表面的局部差异，这为我们进一步研究样品性质提供了重要参考。
五、实验总结。
本实验通过使用原子力显微镜，成功观察并研究了样品表面的微观结构和形貌，加深了我们对样品性质和功能的认识。
同时，我们也对原子力显微镜的工作原理和操作方法有了更深入的了解。
通过本次实验，我们不仅提高了实验操作和数据分析的能力，也为今后的科研工作打下了坚实的基础。
六、致谢。
在本次实验中，感谢指导老师对我们的耐心指导和帮助，也感谢实验室的同学们在实验过程中的合作和支持。
同时也要感谢实验室提供的设备和条件，为我们顺利完成实验提供了保障。
以上就是本次原子力显微镜实验的实验报告，谢谢阅读。
原子力显微镜的构造性能和使用方法
❖ 3、scan rate越小，探针跟踪样品越好，trace、retrace重合的越好。一般 来说，当扫描尺寸为10nm时，scan rate可设置为2Hz（1.5Hz），随着扫 描尺寸增大，scan rate值也要随之减小。当然扫描尺寸较少时，scan rate值可稍微增大。
4.3 测试过程中参数的选择
四、操作步骤
❖ 1、观察trace、retrace曲线，看看着两条曲线的重合性，如果着两条曲线 不重合，可通过调整integral gain, proportional gain， setpoint和scan rate来使得着两条线尽量重合。调整integral gain和proportional gain的原 则是，先尽量把integral gain调大，直到在曲线上出现噪音，然后稍微减 少integral gain，直到噪音消失。proportional gain比integral gain大20% 左右
❖ 离开实验室时要开启除湿器，保持实验室的干燥。
五、思考题
❖ 1> 实验操作过程中需要注意那些问题? ❖ 2> 总结扫描过程中参数设置规律,怎么样能达到最佳扫描
效果? ❖ 3> 比较两种模式下的扫描图像有何区别?
❖ 磁场力 (MFM)
❖ 电场力及表面电势 (EFM/SPM) ❖ 力曲线/力曲线分布图谱 ❖ 定量力学参数 ❖ 电化学反应 (ECM)
三、试验器材
❖ 菌种：氧化亚铁硫杆菌，氧化硫硫杆菌，大肠杆 菌，枯草芽孢杆菌等在云母片上的烘干样
❖ 仪器与其他用具： DI MultiModeV 扫描探针显微 镜、扫描光、探针、镊子等
原子力显微镜 细胞 分析
原子力显微镜在细胞生物学领域的应用材料科学与工程学院 5120519012 蒋沐阳摘要原子力显微镜是近年来生物领域的重要观测工具，它优良的观测性能和强大清晰的观测分辨率能够满足细胞生物领域不同的观测需求。
本文将阐述原子力显微镜在细胞观测中的工作原理，以及待观测细胞需要经过怎样的固定处理。
另外本文也将展现原子力显微镜在分析细胞的生命历程以及细胞、分子间的各种相互作用力的性能。
关键字原子力显微镜，细胞生物，成像分辨率，力-距离曲线前言几百年来，人类为了观察微小物体创造出了一代又一代显微镜，从最原始的光学显微镜，到以电子显微镜（SEM）为代表的第二代显微镜，再到以扫描隧道显微镜（TEM）为代表的新型显微技术，都显示出了各自代表时代科学家的智慧。
而在1986年，作为扫描隧道显微镜的改进产品，原子力显微镜（AFM）的出现，更是突出的显现了显微观测技术作为人类视觉感官功能的延伸与增强的重要性。
[1]不同于扫描隧道显微镜只能应用于导电物体表面，原子力显微镜在非导电物质的观测上效果出色，并且具有高分辨、制样简单、操作易行的特点。
它在纳米尺度上的成像分辨率极佳，横向达到0.1~0.2nm，纵向则高达0.01nm，[2]这样的性能使得前几代显微镜望尘莫及，也极大地推动了纳米科学的发展。
因为原子力显微镜在观测过程中能够保持样品的自然状态，防止其发生变形或变性，并且能够实现对生物样品的连续动态分析与成像，所以它的出现对于微观分析要求极高的生命科学领域无疑是一块大大的宝藏，发明至今，原子力显微镜已经帮助科学家们在细胞生物学领域取得了长足的进步。
1 原子力显微镜原理简介简单地说，原子力显微镜（Atomic Force Microscopy）是通过控制并检测样品与显微镜配备的针尖间的相互作用力来实现高分辨成像的。
[2]它将扫描的针尖制作在一个对微弱力极为敏感的V字型的微悬臂上，微悬臂的另一端固定住，使得针尖趋近样品并与样品表面轻轻接触。
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①恒力模式：在恒力模式中，反馈系统控制压电陶瓷管，保 持探针同样品作用力不变；恒力模式不但可以用来测量表 面起伏比较大的样品，也可以在原子水平上观测样品。 ②恒高模式：在恒高模式下，保持探针同样品的距离不变。 恒高模式一般只用来观测比较平坦的样品表面。
2.AFM的非接触模式
在这种工作模式下，AFM微悬臂工作在距离样品较远的 地方，一般为，在这样远的距离上二者没有电子云重叠发生， 此时主要是VDW在起作用。由于VDW及VDW的梯度均较小，所 以要采用谐振的办法来检测，即将微悬臂安装在一个压电陶 瓷片上使微悬臂在其谐振频率上振动，当微悬臂上的针尖在 样品表面上作相对扫描时，VDW发生改变，VDW的改变使微悬 臂的运动发生变化，产生“相移”或振幅改变，测得这个 “相移”或振幅改变即可获得VDW梯度，积分后可得VDW。 VDW随着微悬臂上针尖和样品之间的相对运动而变化，将这 种VDW的变化转换为形貌即得样品表面的超微结构或原子分 布图象。
1.3 反馈系统
在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光 检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号， 作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫 描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。
2.光学偏转法检测的原子力显微镜的原理
半导体激光器所发激光经准直聚焦后 照到微悬臂的背 面，微悬臂的背面镀有金膜，相当于一面反射镜，经微悬 臂反射的激光束照到一个二象限光电探测器上。样品固定 在压电陶瓷管上，并一起随压电陶瓷管在扫描电路控制下 沿X，Y方向扫描，并且在Z方向可以伸缩。如果微悬臂探针 同样品间的相互作用使微悬臂在Z方向产生位移，那么反射 束将在二象限光电探测器上移动。在二象限光电探测器中 两个光电管的交界处，光斑的移动同二象限信号的差值有 良好的线性关系，取二象限信号差值作为表面形貌信息。
4 相移模式
作为轻敲模式的一项重要的扩展技术，相移模式是通过检 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， 可以在纳米尺度上获得样品 表面局域性质的丰富信息。 迄今相移模式已成为原子力 显微镜的一种重要检测技术。
（二）光学偏转法检测的原子力显微镜
1.结构原理图：
右图为激光 偏转检测法示意 图，其结构组成 分为三个部分： 力检测部分、 位置检测部分、 反馈系统。
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。
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 子与原子之间的斥力或范德华力。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 100～500μm 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， 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。 右图是一典型的 AFM悬臂和针尖
原子间范德瓦尔斯力和距离的关系
三. AFM 的结构及工作原理
在AFM工作时，探针尖端的原子同样品表面的原子将 产生相互作用，该相互作用使微悬臂发生形变或使其运 动发生变化，这一变化可使用电学或光学的办法探测出 来，变化的大小反映相互作用的大小。
（一）隧道电流法检测的原子力显微镜
图6-1为使用隧道电流检测的原子力显微镜结构原理 示意图。
下图为使用MFM观察得到的磁光盘表面的磁数据位的磁结构 （凹坑伏）。
2.静电力显微镜（EFM）
在静电力显微镜（Electron Force Microscopy, EFM ）中，针尖和样品起到一个平行的板极电 容器中两块极板的作用。当其在样品表面扫描时， 其振动的振幅受到样品中电荷产生的静电力的影 响。利用这一现象，就可以通过扫描时获得的静 电力图象来研究样品的表面信息。下图为 2.5μmX2.5μm的蓝宝石表面EFM图象，其中左面 一幅图象用排斥力获得，右面一幅图用吸引的静 电力获得。
例：云母表面的AFM像
云母表面结构图
扫描范围： 5nm×5nm X方向扫描速度为 30Hz
光盘表面的AFM图
扫描范围3.2um×3.2um, X方向的扫描速度30Hz
原子搬运
扫描范围：47nm×24nm
红细胞的原子力显微镜形貌图
几种其它扫描探针显微镜
1.磁力显微镜（MFM）
磁力显微镜（ Magnetic Force Microscopy,MFM ） 也是使用一种受迫振动的探针来扫描样品表面，所不同 的是这种探针是沿着其长度方向磁化了的镍探针或铁探 针。当这一振动探针接近一块磁性样品时，探针尖端就 会像一个条状磁铁的北极和南极那样，与样品中磁畴相 互作用而感受到磁力，并使其共振频率发生变化，从而 改变其振幅。这样检测探针尖端的运动，就可以进而得 到样品表面的磁特性。
5.扫描热显微镜
扫描热显微镜用于探测样品表面的热量散失，可测 出样品表面温度在几十微米尺度上小于万分之一度的变 化。扫描热显微镜的探针是一根表面覆盖有镍层的钨丝， 镍层与钨丝之间是绝缘体，在尖端二者相连，这一钨/ 镍接点起热电偶的作用。探针稳定到样品表面后，向结 点通直流电加热，针尖的温度稳定下来时要比周围环境 温度高。由于样品是固体，导热性能比空气好，所以当 加热后的针尖向样品表面靠近时，针尖的热量向样品流 失使针尖的温度下降。通过反馈回路调节针尖与样品间 距，从而控制恒温扫描，和获得样品表面起伏的状况。 右图为用扫描热显微镜获得的在玻璃基底上的红细胞表 面轮廓。
3.弹道电子发射显微术（BEEM）
弹道电子发射显微镜是在扫描隧道显微镜的 基础上发展起来的，它所用的样品是由金属 /半 导体或半导体/半导体构成的肖特基势垒异质结。 当针尖被调节到接近异质结表面时通过真空隧 道效应，针尖向金属 /半导体发射弹道电子。通 过观察针尖扫描时各点的基极-收集极电流Ic和Z 电压Vz，可以直接得到表面下界面结构的三维图 象和表面形貌。右图为 Au/GaAs(100) 肖特基势 垒结构的STM形貌象（上）和 BEEM象（下），二 者是同时采集的。
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。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。 右图是激光位置检测器的示意图。 聚焦到微悬臂上面的激光反射到激光位 置检测器，通过对落在检测器四个象限 的光强进行计算，可以得到由于表面形 貌引起的微悬臂形变量大小，从而得到 样品表面的不同信息。
3.轻敲模式
用一个小压电陶瓷元件驱动微悬臂振动，其振动频率恰好高于探针的 最低机械共振频率（～50kHz）。由于探针的振动频率接近其共振频率， 因此它能对驱动信号起放大作用。当把这种受迫振动的探针调节到样品表 面时（通常2～20nm），探针与样品表面之间会产生微弱的吸引力。这种 吸引力会使探针的共振频率降低，驱动频率和共振频率的差距增大，探针 尖端的振幅减少。这种振幅的变化可以用激光检测法探测出来，据此可推 出样品表面的起伏变化。 当探针经过表面隆起部位时，这些地方吸引力最强，其振幅变小；而 经过表面凹陷处时，其振幅增大，反馈装置根据探针尖端振动情况的变化 而改变加在Z轴压电陶瓷上的电压，从而使振幅（也就是使探针与样品表 面的间距）保持恒定。同STM和接触模式AFM一样，用Z驱动电压的变化来 表征样品表面的起伏图像。 在该模式下，扫描成像时针尖对样品进行“敲击”，两者间只有瞬间 接触，克服了传统接触模式下因针尖被拖过样品而受到摩擦力、粘附力、 静电力等的影响，并有效的克服了扫描过程中针尖划伤样品的缺点，适合 于柔软或吸附样品的检测，特别适合检测有生命的生物样品。
三.AFM 操作模式
1.接触式 (contact mode)
2.非接触式 (non-contact mode)（亦即 VDW 模式） 3.轻敲式 (tapping mode or intermittent contact mode) 4.相移模式
1.接触模式
将一个对微弱力极敏感的微悬臂的一端固定，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排斥力（10-8～10-6N），由 于样品表面起伏不平而使探针带动微悬臂弯曲变化，而微悬 臂的弯曲又使得光路发生变化，使得反射到激光位置检测器 上的激光光点上下移动，检测器将光点位移信号转换成电信 号并经过放大处理，由表面形貌引起的微悬臂形变量大小是 通过计算激光束在检测器四个象限中的强度差值（A+B）（C+D）得到的。将这个代表微悬臂弯曲的形变信号反馈至电 子控制器驱动的压电扫描器，调节垂直方向的电压，使扫描 器在垂直方向上伸长或缩短，从而调整针尖与样品之间的距 离，使微悬臂弯曲的形变量在水平方向扫描过程中维持一定， 也就是使探针－样品间的作用力保持一定。在此反馈机制下， 记录在垂直方向上扫描器的位移，探针在样品的表面扫描得 到完整图像之形貌变化，这就是接触模式。
电子探针分析之二
第七章
原子力显微镜
一.引言
由于扫描隧道显微镜只能观察导体和半导体的表面结构， 对于非导电材料必须在其表面覆盖一层导电膜。导电膜的存 在往往掩盖了样品的表面结构的细节。为了弥补扫描隧道显 微镜的这一不足，1986年Binnig、Quate和Gerber发明了第一 台原子力显微镜（AFM）。 原子力显微镜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，针尖与样品的表面轻轻接触， 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 （斥力10-8～10-6N或范德瓦尔斯力），通过扫描时控制这种力 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 光学检测法和隧道电流检测法，可以测得微悬臂对应于扫描 各点的位置变化，从而可以获得样品的表面形貌信息。