扫描探针显微镜spm、afm
扫描探针显微技术之二原子力显微镜(AFM)技术
原子 原子
吸引部分
原子 排斥力
原子
d 吸引力
原子间的作用力 精品文档
photo detector
微悬臂
laser diode
激光二极管
光电检测器
cantilever
sample
scanner
精品文档
基本原理
精品文档
基本原理
AFM信号反馈模式
精品文档
微悬臂位移量的检测方式
精品文档
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
精品文档
工作模式-非接触模式
d: 5~20nm 振幅：2nm～5nm
van der Waals force curve
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。
精品文档
工作模式-非接触模式
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，造成图像
精品文档
AFM技术的主要特点:
优点: 制样相对简单,多数情况下对样品不破坏. 具有高分辨率，三维立体的成像能力， 可同时得到尽可能多的信息. 操作简单,对附属设备要求低.
缺点: 对试样仍有较高要求,特别是平整度. 实验结果对针尖有较高的依赖性(针尖效应). 仍然属于表面表征技术,需和其他测试手段结合.
聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物的苯溶液在ＬＢ膜 槽内分散,而后在极低的表面压下(<0.1ｍＮ/ｍ)将分子沉 积在新鲜云母表面。
精品文档
精品文档
AFM在聚合物膜研究中的应用
1 表面整体形态研究 2 孔径(分布),粒度（分布）研究 3 粗糙度研究
扫描探针显微镜(SPM)原理简介及操作(修正版)
扫描探针显微镜（SPM）原理简介庞文辉 2012.2.22一、SPM定义扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是扫描隧道显微镜及在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜（原子力显微镜AFM,激光力显微镜LFM，磁力显微镜MFM等等）的统称，包括多种成像模式，他们的共同特点是探针在样品表面扫描，同时针尖与样品间的相互作用力被记录。
SPM的两种基本形式：1、扫描隧道显微镜（Scanning Probe Microscope,STM）2、原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）AFM有两种主要模式：●接触模式（contact mode）●轻敲模式（tapping mode）SPM的其他形式：●侧向摩擦力显微术（Lateral Force Microscopy）●磁场力显微镜（Magnetic Force Microscope）●静电力显微镜（Electric Force Microscope）●表面电势显微镜（Surface Potential Microscope）●导电原子力显微镜（Conductive Atomic Force Microscope）●自动成像模式（ScanAsyst）●相位成像模式（Phase Imaging）●扭转共振模式（Torisonal Resonance Mode）●压电响应模式（Piezo Respnance Mode）●……二、STM原理及应用基于量子力学中的隧穿效应，用一个半径很小的针尖探测被测样品表面，以金属针尖为一电极，被测固体表面为另一电极，当他们之间的距离小到1nm左右时，形成隧道结，电子可从一个电极通过量子隧穿效应穿过势垒到底另一个电极，形成隧穿电流。
在极间加很小偏压，即有净隧穿电流出现。
隧穿电流与两极的距离成指数关系，反馈原理是采用横流模式，当两极间距不同（电流不同），系统会调整Z轴的位置从而成高度像。
浅谈原子力显微镜( AFM) 应用于纳米科学中的进展
浅谈原子力显微镜( AFM) 应用于纳米科学中的进展扫描探针显微镜( Scanning Probe Microscopy,SPM) 以其较强的原子和纳米尺度上的分析加工能力,在纳米科学技术的发展中占据极其重要的位置。
扫描探针显微镜是在扫描隧道显微镜( STM) 基础上发展起来的。
1982 年,德国物理学家GBinnig 和H Rohrer发明了具有原子级分辨率的扫描隧道显微镜( Scanning Tunneling Microscope,STM) ,它使人类第一次能够直观地看到物质表面上的单个原子及其排列状态,并深入研究其相关的物理化学性能。
因此,它对物理学、化学、材料科学、生命科学以及微电子技术等研究领域有着十分重大的意义和深远的影响。
STM 的发明被公认为20 世纪80 年代世界十大科技成果之一。
Binnig 和Rohrer 因此获得了1986 年诺贝尔物理学奖。
原子力显微镜是SPM 家族中最重要的成员之一。
1986 年Binnig 等人[4]为了弥补STM 不能对绝缘样品进行检测和操纵而发明了原子力显微镜( Atomic Force Microscopy,AFM) ,AFM 由于不需要在探针与样品间形成导电回路,突破了样品导电性的限制,因此使其在科研应用领域更加广阔。
1 AFM 的工作原理AFM 的工作原理分为探测系统和反馈系统两大部分。
探测系统包括探针用以感受样品的表面信息、激光系统用以收集探针上的信号,反馈系统的功能是控制探针的相对高度,以保证探针能够保持一定高度从而顺利探测到样品信息。
AFM 在扫描图像时,针尖与样品表面轻轻接触,而针尖尖端原子与样品表面原子间存在微弱的相互作用力,会使悬臂产生微小变化。
这种微小变化被检测出并用作反馈来保持力的恒定,就可以获得微悬臂对应于扫描各点的位置变化,从而获得样品表面形貌的图像。
AFM 的工作模式是以针尖与样品之间作用力的形式来区分主要有接触模式、非接触模式、轻敲模式三种工作模式。
spm与afm比较
SPM与AFM比较分析李威1.SPM成像原理当探针与样品表面间距小到纳米级时，按照近代量子力学的观点，由于探针尖端的原子和样品表面的原子具有特殊的作用力，并且该作用力随着距离的变化非常显著。
当探针在样品表面来回扫描的过程中，顺着样品表面的形状而上下移动。
独特的反馈系统始终保持探针的力和高度恒定，一束激光从悬臂梁上反射到感知器，这样就能实时给出高度的偏移值。
样品表面就能记录下来，最终构建出三维的表面。
2.SPM优势SPM作为新型的显微工具与以往的各种显微镜和分析仪器相比有着其明显的优势：首先，SPM具有极高的分辨率。
它可以轻易的“看到”原子，这是一般显微镜甚至电子显微镜所难以达到的。
其次，SPM得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图像。
而不同于某些分析仪器是通过间接的或计算的方法来推算样品的表面结构。
也就是说，SPM是真正看到了原子。
再次，SPM的使用环境宽松。
电子显微镜等仪器对工作环境要求比较苛刻，样品必须安放在高真空条件下才能进行测试。
而SPM既可以在真空中工作，又可以在大气中、低温、常温、高温，甚至在溶液中使用。
因此SPM适用于各种工作环境下的科学实验。
SPM的应用领域是宽广的。
无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料、微电子等应用学科都有它的用武之地。
SPM的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的。
3.AFM成像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排斥力，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。
下面，我们以激光检测原子力显微镜（Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection, Laser-AFM）——扫描探针显微镜家族中最常用的一种为例，来详细说明其工作原理。
SPM与AFM工作原理的比较
SPM与AFM工作原理的比较肖国敏 20085029 生医1班1 SPM（扫描探针显微镜）的工作原理当探针与样品表面间距小到纳米级时，按照近代量子力学的观点，由于探针尖端的原子和样品表面的原子具有特殊的作用力，并且该作用力随着距离的变化非常显著。
当探针在样品表面来回扫描的过程中，顺着样品表面的形状而上下移动。
独特的反馈系统始终保持探针的力和高度恒定，一束激光从悬臂梁上反射到感知器，这样就能实时给出高度的偏移值。
样品表面就能记录下来，最终构建出三维的表面2 AFM（原子力显微镜）2.1 AFM基本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排斥力，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。
下面，我们以激光检测原子力显微镜（Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection, Laser-AFM）——扫描探针显微镜家族中最常用的一种为例，来详细说明其工作原理。
图2: 激光检测原子力显微镜探针工作示意图如图2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。
在系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的距离始终保持在纳米（10e-9米）量级，距离太大不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品，反馈回路(Feedback)的作用就是在工作过程中，由探针得到探针-样品相互作用的强度，来改变加在样品扫描器垂直方向的电压，从而使样品伸缩，调节探针和被测样品间的距离，反过来控制探针-样品相互作用的强度，实现反馈控制。
扫描探针显微技术(spm)
SPM在生物医学领域的应用将进一步 拓展，如细胞形态学、生物分子结构 和功能研究等。
实现多模式、多功能集成
多模式集成
将多种SPM模式（如隧道电流、力曲线、扫 描隧道谱等）集成在同一台仪器上，实现更 全面的分析。
多功能集成
将SPM与其他分析技术（如光谱学、质谱学 等）集成，实现更全面的材料和生物样品分
在生物学中的应用
细胞形态学研究
利用SPM技术可以观察细胞表面形态和微观结构，研究细胞生长、 发育和疾病发生机制。
生物分子相互作用
SPM技术可以用于研究生物分子之间的相互作用，例如蛋白质与 DNA、蛋白质与蛋白质之间的相互作用。
生物传感器
利用SPM技术可以制备高灵敏度的生物传感器，用于检测生物分子和 细胞活性。
03 SPM的工作模式
接触模式
总结词
在接触模式下，探针与样品表面直接 接触进行扫描。
详细描述
在接触模式下，探针的尖端与样品表面紧 密接触，通过探针的垂直运动来扫描样品 表面。这种模式可以提供高分辨率和高对 比度的图像，适用于硬质和脆性样品。
非接触模式
总结词
非接触模式中，探针与样品表面保持一 定距离，避免直接接触。
在表面科学中的应用
表面形貌分析
SPM技术可以对材料表面进行高精度的形貌分析，研究表面粗糙 度、晶面取向等特性。
表面化学分析
结合其他分析手段，SPM技术可以用于研究表面化学组成和元素 分布。
表面改性
通过SPM技术可以对材料表面进行改性，例如在金属表面形成硬 质涂层、在玻璃表面制备防雾涂层等。
05 SPM的未来发展
宾宁和罗雷尔因此获得 了诺贝尔物理学奖。
原子力显微镜（AFM） 问世，由IBM苏黎世研究 实验室的伊瓦尔·冈萨雷 斯（Ivar Giaever）发明。
扫描探针显微镜
为了抑制低频振动，需要另外的悬簧。
(3) 冲气平台：通常用做光学工作台，典型 的固有频率为1—1.2Hz。对大于10Hz的 振动传递函数可达到0.1。
某些系统提供有效的振动隔离仅限于垂 直方向，也有对水平方向同样有效的气 动平台。 缺点：体积庞大，相当笨重，
1.2.2 机械系统 STM的机械系统应满足STM扫描及调 整针尖与样品距离等操作的要求。 例如： ① 在x和y方向上的扫描范围至少为 1µ m×1µ m，也可以根据使用者的要求选 择更大的使用范围10µ m×10µ m。 控制精度应达到0.1Å左右。
② 恒高模式： 探针在样品表面扫描时，使探针的 绝对高度不变，这时探针与样品表面的 相对距离就会改变，即隧道电流会改变， 通过测量电流的变化来反映样品表面的 高低起伏。这种扫描模式叫恒高模式。 （见图2.2（b）
恒电流模式是STM常用的工作模式，而恒 高模式仅适用于对起伏不大的表面进行 成像。 当样品表面起伏较大时，由于针尖离表 面非常近，采用恒高模式扫描可能造成 针尖与样品表面相撞，导致针尖与样品 表面破坏。
隧道电流的强度与针尖和样品间距S成指 数关系，对间距S的变化非常敏感，STM 就是利用这一原理来工作的。
它的工作模式有两种：
恒高模式 恒流模式
① 恒流模式： 探针在样品表面扫描时，通过反馈 回路控制隧道电流恒定不变，即探针与 样品表面相对距离保持恒定，这时探针 沿xy平面内扫描时在z轴方向的运动就反 映了样品表面的高低起伏，这种扫描模 式叫恒流模式。 见图2.2（a）
1.4 STM的应用： ①表面结构观测 STM是研究表面原子结构强有力的 工具，尽管有些时候并不能将STM图像 的结构细节简单地归结为原子的空间排 布情况，但人们利用STM可解决许多表 面科学问题。 例如：Si（111）表面的7×7重构结构。
利用扫描探针显微镜研究材料表面
利用扫描探针显微镜研究材料表面随着科技的不断进步，材料表面的研究变得愈发重要。
在材料科学中，材料表面的特性对于材料的性能、功能以及应用可能起着决定性的作用。
为了更好地理解材料表面的性质，人们使用了各种各样的技术，其中一种便是扫描探针显微镜。
扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy，SPM）是一种基于扫描探针的显微技术，通过探测器与样品之间的相互作用来研究材料表面的形态、结构以及性质。
这种技术具有高分辨率、高灵敏度和非破坏性等特点，能够在纳米尺度下观察和测量材料表面的微观结构和性质。
其中一种常见的扫描探针显微镜是原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）。
通过探针的尖端与样品表面的相互作用力，AFM能够绘制出材料表面的拓扑图像。
AFM可以实现高分辨率的表面测量，其分辨率可以达到纳米甚至次纳米级。
AFM的工作原理基于探针的尖端与样品表面之间的相互作用力。
探针的尖端通过弹性力与样品表面保持接触，并且在扫描过程中受到表面特征的影响。
通过感应探针尖端的弯曲变化，可以获取关于样品表面形貌以及力学性质等信息。
除了原子力显微镜，扫描探针显微镜还包括场发射显微镜（Field Emission Microscope，FEM）和电子探针显微镜（Electron Probe Microscope，EPM）等。
这些显微镜在不同的研究领域中发挥着重要的作用。
利用扫描探针显微镜进行材料表面研究可以帮助我们深入了解材料的结构和性质。
例如，通过观察材料表面的拓扑图像，可以分析材料的表面形状、纹理以及粗糙度等特征。
这对于材料的制备和性能的改善非常重要。
此外，扫描探针显微镜还可以用于研究材料表面的化学性质。
通过结合特定的化学探针，可以实现对材料表面化学组成和反应的表征。
这有助于我们了解材料的化学性质，并且为材料的应用提供参考。
扫描探针显微镜在材料科学领域的应用非常广泛。
它可以应用在金属、陶瓷、半导体、生物材料等各种类型的材料中。
afm的原理及应用
AFM的原理及应用1. 原理介绍原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种高分辨率的表面显微镜，它利用探针与样品表面之间的相互作用力来获取表面的形貌和力学性质。
AFM基于扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy，SPM）的原理，通过在纳米尺度上运动和感测探针与样品之间的相对运动，实现对样品表面的观测和测量。
AFM的工作原理可简述为：在AFM扫描过程中，探针通常由细尖部分和弹性探针杆组成。
通过控制探针与样品之间的相互作用力，从而感知探针的纵向位移，并进一步确定样品表面的形状特征。
AFM的三个基本测量模式包括接触模式、非接触模式和静电模式。
在接触模式下，探针与样品表面保持接触；在非接触模式下，探针与样品之间保持较小的相互作用力；而在静电模式下，探针通过测量静电相互作用力来获取样品表面信息。
2. 应用领域2.1 表面形貌观测AFM是一种非常有用的工具，可用于观察样品表面的形貌。
由于AFM的高分辨率和高灵敏度，它可以显示出样品表面的纳米级别的细微结构。
因此，在材料科学、纳米技术等领域，AFM被广泛应用于表面形貌的观测和分析。
2.2 力学性质测量AFM可测量样品表面的力学性质，如硬度、弹性模量等。
通过在探针尖端施加力量，AFM可以获得相应的力变形曲线，从而计算出样品的力学性质。
这种力变形曲线可以用来研究纳米材料的力学行为，对于材料本质的研究具有重要意义。
2.3 生物分子观测由于AFM可以在液体环境中工作，它在生物领域也得到广泛应用。
AFM可以用于观测生物分子的结构和形态，并研究其相互作用力。
这对于生物学研究和生物医学领域的应用有着重要意义，例如蛋白质的形状和功能研究、生物体表面的结构观察等。
2.4 电子学器件研究对于电子学器件的研究，AFM可以提供非常有价值的信息。
例如，在集成电路领域，使用AFM可以观测杂质、缺陷和界面的形态和特征，从而帮助改进电子器件的制造工艺和性能。
扫描探针显微镜
T与势垒宽度a、能量差（V0－E）以及粒子的质量
m有着很敏感的依赖关系，随着a的增加，T将指数 衰减，因此在宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势
垒的现象。
（2）隧道电流
扫描隧道显微镜是将原子线度的探针和样品表 面作为两个电极，当样品和针尖的距离非常接近时 （通常小于1nm），在外加电场的作用下，电子会 穿过两电极之间的势垒流向另一电极，从而形成隧 道电流。因此，STM图像是样品表面原子几何结构 和电子结构的综合效应的结果。
控制探针在被检测样品的表面进行扫描，同时记录下 扫描过程中探针尖端和样品表面的相互作用，就能得到 样品表面的相关信息。
利用这种方法得到被测样品表面信息的分辨率取决于 控制扫描的定位精度和探针作用尖端的大小（即探针的 尖锐度）。
SPM的特点
原子级高分辨率 ； 实空间中表面的三维图像 ； 观察单个原子层的局部表面结构 ; 可在真空、大气、常温等不同环境下工作; 可以得到有关表面结构的信息，例如表面不同
使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质 表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、 化学性质。
在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研 究中有着重大的意义和广阔的前景，被国际科 学界公认为二十世纪八十年代世界十大科技成 就之一。
Gerd Binning (IBM) (1947-)
Heinrich Rohrer (Zurich) (1933-)
In Touch with Atoms
In Touch with Atoms
美国商用机 器公司利用STM 直接操作原子， 成功地在Ni上， 按自己的意志安 排原子合成IBM 字样。
STM的优点
1. 高分辨率，分辨率横向0.1nm、纵向0.01nm； 2. 可实时地得到在实空间中表面的三维图象； 3. 可观察单个原子层的局部表面结构； 4. 可在真空、大气等不同环境下工作，甚至可将样品浸在
afm操作手册
扫描隧道 显微 （STM)
原子力显 微镜 （AFM）
摩擦力 显微镜 （LFM)
磁力显微 镜 （MFM）
化学力显 微镜 （CFM）
等等
发展历史
z 1982年G.Binnig和H.Rohrer等成功研制了一种显微镜—— 扫描隧道显微镜( Scanning Tunneling Microscope，STM) 使得人们能够以原子级的分辨率来观察微观世界，研究原 子、分子的空间排列方式及其物理、化学性质。为此 G.Binnig和H.Rohrer获得了1986年的诺贝尔物理学奖。 z 1986年Bining、Quate和Gerber发明了原子力显微镜 (Atomic Force Microscope，AFM)。AFM不受样品导电性的 限制，而且还可以在空气、液体等环境中对样品进行观测。 更重要的是AMF还能以较高的分辨率（X-Y方向上0.1-1.0 nm ，Z方向上0.01nm）给出样品表面形貌的三维信息。
Hard Disk
magnetic tape
Height
phase
0微米
六、扫描隧道显微镜(STM)
扫描隧道显微镜（STM)的基本原理是利用量子力学中的隧道效应，在样品与探 针之间加一定的电压，当样品与针尖距离非常接近时，样品和针尖之间将产生 隧道电流。通过检测这种电流就可以得到关于样品表面形态和结构的信息。
偏移偵測器 雷射光
磁性探針 磁場 樣品
MFM测量模式
直流模式的扫描方式，类似于非接触式原子力显微镜，差异点仅 在于探针与样品之间作用力的不同。所应用的理论，是由Zeeman 能量法获得，亦即磁力是磁矩(m)乘以磁场的空間梯度(∆H)，磁 力的大小可由微悬臂的偏移量乘以微悬臂的弹性系数而得知。
spm一般用语
SPM(扫描式探针显微镜)一般用语●SPM(扫描式探针显微镜；Scanning Probe Microscope)于试料表面以微小探针扫描，探针与试料间相互作用的物理量(穿隧电流、原子间力、摩擦力、磁力力等)检测，对于微小领域的表面形状检测及物性分析等行为的总称。
主要代表SPM 的有STM(扫描式穿隧电流显微镜)、AFM(原子力显微镜)等。
●STM(扫描式穿隧电流显微镜；Scanning Tunneling Microscope)使用导电性探针与试料间微小电流的利用，对探针与试料间的距离扫描控制，以分析试料表面形状，获得原子级图像的SPM。
使用测定试料必须为导电性材质。
●AFM(原子力显微镜；Atomic Force Microscope)于挠性微悬臂先端的探针与试料表面微小作用力的接触，控制微悬臂的受力值，对探针与试料间的距离扫描控制，以分析试料表面形状，获得原子级图像的SPM 表面形状。
另外可区分为接触式(DC mode) 与非接触式(AC mode) 二种类型的AFM。
使用测定试料可为导电性材质或绝缘体，亦可探测试料表面物性(摩擦力粘弹性表面电位等)的应用。
●LFM(侧向摩擦力显微术；Lateral Force Microscopy)接触式AFM 模式下可探测试料的摩擦力分布，LFM 属于SPM 的探测方式之一。
针对试料的Y 轴方向侧振动，此时探针连杆产生的扭转角度讯号可求得摩擦力分布的图像。
试料面的凹凸对连杆扭曲的形状影响较小。
●FFM(摩擦力显微术；Friction Force Microscopy)接触式AFM 模式下可探测试料的摩擦力分布，FFM 属于SPM 的探测方式之一。
主要根据探针连杆扭转方向变化(扭转角度范围的设定值为-90°至90°)，此时产生的扭转角度讯号(FFM讯号) 可求得摩擦力分布的图像。
主要应用于无法试料表面形状判别的材质性问题，如参杂物分布的状况调查。
扫描探针显微镜简介
2
第一部分
扫描隧道显微镜
Scanning Tunneling Microscope
检测器测量到这些交替变化的振幅值,再通过反馈回路,调整针尖 与样品之间的距离，保证振幅恒定在某一个恒定值,这样针尖在扫描 过程中的运动轨迹就反映了样品的表面形貌。
21
Atomic Force Microscope
• AFM characteristic
（一）在大气中，原子力显微镜同样具有原子级的分辨率。 （二）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。 （三）可以进行样品高度方向的测定。
• Operating modes of AFM
– Static atomic force microscopy
Fts=constant – Dynamic atomic force microscopy
19
Atomic Force Microscope
Dynamic atomic force microscopy
10
SPM Family Tree
C-AFM
SThM LFM FMM PFM NSOM STS Standard modes Optional modes
11
EFM SCM
NC-AFM (DFM)
MFM
STM
第二部分 原子力显微镜
Atomic Force Microscope
Atomic Force Microscope
SPM产品介绍和应用指南
SPM产品介绍和应用指南SPM（Scanning Probe Microscopy）是一种高精度、高分辨率的表面成像技术，通过扫描探针在样品表面上进行原子尺度的扫描和测量，可以获得样品表面的拓扑、电子结构和力学性质等信息。
SPM技术根据测量原理的不同可分为多种类型，例如原子力显微镜（AFM）、电子探针显微镜（STM）和化学力显微镜（CFM）等。
本文将介绍SPM技术的基本原理、常见应用以及应用指南。
一、SPM技术的基本原理SPM技术主要基于扫描探针与样品表面之间的相互作用进行测量。
在AFM中，扫描探针通过控制扫描头的位置，使探针与样品表面之间的相互作用力保持恒定，然后记录探针的位置变化，从而获取样品表面的拓扑结构。
在STM中，探针通过电子隧道效应与样品表面进行相互作用，记录电荷转移的电流，从而获取样品表面的原子分辨率拓扑图像。
二、SPM技术的应用SPM技术具有非常广泛的应用领域，可以在材料科学、物理学、生命科学和纳米科技等领域得到广泛应用。
1.材料科学SPM技术可以对各种材料的表面形貌和结构进行表征，包括金属、半导体、陶瓷、生物材料等。
通过这种技术，可以了解材料的晶体结构、纳米级缺陷和有序颗粒等特性，为材料的设计、制备和改性提供重要依据。
2.物理学研究SPM技术在物理学研究中发挥了重要作用。
例如，在表面物理学中，研究扫描电子显微镜（SEM）和STM技术可以提供材料表面的反应活性、电子结构等信息。
在量子力学研究中，SPM技术可以实现原子尺度的图像和单电子操控。
3.生命科学SPM技术在生命科学领域的应用非常广泛。
例如，在细胞学研究中，可以利用AFM技术观察细胞的拓扑结构、力学特性和分子相互作用等。
在生物化学研究中，可以利用SPM技术观察蛋白质、DNA和RNA等生物大分子的结构和相互作用。
4.纳米科技SPM技术对纳米材料的研究和应用起到了重要的推动作用。
通过SPM 技术，可以制备、操控和测量纳米级结构和器件，为纳米科技的发展提供基础支持。
扫描探针显微镜
扫描探针显微镜扫描探针显微镜（ScanningProbeMicroscope，SPM）是扫描隧道显微镜及在扫描隧道显微镜的基础上进展起来的各种新型探针显微镜（原子力显微镜AFM,激光力显微镜LFM，磁力显微镜MFM等等）的统称，是国际上近年进展起来的表面分析仪器，是综合运用光电子技术、激光技术、微弱信号检测技术、精密机械设计和加工、自动掌控技术、数字信号处理技术、应用光学技术、计算机高速采集和掌控及高辨别图形处理技术等现代科技成果的光、机、电一体化的高科技产品。
目录应用特点应用SPM的应用领域是宽广的。
无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料、微电子等应用学科都有它的用武之地。
SPM的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的。
同其它表面分析技术相比，SPM有着诸多优势，不仅可以得到高辨别率的表面成像，与其他类型的显微镜相比（光学显微镜，电子显微镜）相比，SPM扫描成像的一个巨大的优点是可以成三维的样品表面图像，还可对材料的各种不同性质进行讨论。
同时，SPM正在向着更高的目标进展，即它不仅作为一种测量分析工具，而且还要成为一种加工工具，也将使人们有本领在微小的尺度上对物质进行改性、重组、再造．SPM对人们认得世界和改造世界的本领将起着极大的促进作用。
同时受制其定量化分析的不足，因此SPM的计量化也是人们正在致力于讨论的另一紧要方向，这对于半导体工业和超精密加工技术来说有着非同一般的意义扫描隧道显微镜（STM）在化学中的应用讨论虽然只进行了几年，但涉及的范围已极为广泛。
由于扫描隧道显微镜（STM）的最早期讨论工作是在超高真空中进行的，因此最直接的化学应用是察看和记录超高真空条件下金属原子在固体表面的吸附结构。
在化学各学科的讨论方向中，电化学可算是很活跃的领域，可能是由于电解池与扫描隧道显微镜（STM）装置的相像性所致。
同时对相界面结构的再认得也是电化学家们长期关注的课题。
专用于电化学讨论的扫描隧道显微镜（STM）装置已研制成功。
扫描探针显微镜(SPM)原理简介及操作(修正版)
扫描探针显微镜（SPM）原理简介庞文辉 2012.2.22一、SPM定义扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是扫描隧道显微镜及在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜（原子力显微镜AFM,激光力显微镜LFM，磁力显微镜MFM等等）的统称，包括多种成像模式，他们的共同特点是探针在样品表面扫描，同时针尖与样品间的相互作用力被记录。
SPM的两种基本形式：1、扫描隧道显微镜（Scanning Probe Microscope,STM）2、原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）AFM有两种主要模式：●接触模式（contact mode）●轻敲模式（tapping mode）SPM的其他形式：●侧向摩擦力显微术（Lateral Force Microscopy）●磁场力显微镜（Magnetic Force Microscope）●静电力显微镜（Electric Force Microscope）●表面电势显微镜（Surface Potential Microscope）●导电原子力显微镜（Conductive Atomic Force Microscope）●自动成像模式（ScanAsyst）●相位成像模式（Phase Imaging）●扭转共振模式（Torisonal Resonance Mode）●压电响应模式（Piezo Respnance Mode）●……二、STM原理及应用基于量子力学中的隧穿效应，用一个半径很小的针尖探测被测样品表面，以金属针尖为一电极，被测固体表面为另一电极，当他们之间的距离小到1nm左右时，形成隧道结，电子可从一个电极通过量子隧穿效应穿过势垒到底另一个电极，形成隧穿电流。
在极间加很小偏压，即有净隧穿电流出现。
隧穿电流与两极的距离成指数关系，反馈原理是采用横流模式，当两极间距不同（电流不同），系统会调整Z轴的位置从而成高度像。
SPM产品介绍和应用指南
SPM产品介绍和应用指南SPM（扫描探针显微镜）是一种先进的显微镜技术，它能够以原子级的分辨率观察和测量样品的表面形貌和特性。
SPM技术在材料科学、纳米技术、生物医学等领域具有广泛的应用。
一、SPM产品介绍SPM技术主要由扫描探针、样品台和探针针尖三部分组成。
其中，探针是SPM的核心部件，它负责对样品进行扫描和测量。
探针针尖的尖端具有原子级的尺寸，通过探针与样品之间的相互作用，可以得到样品表面的拓扑结构、电荷分布和力学性质等信息。
样品台是用于固定和定位样品的平台，保证样品和探针之间的稳定位置关系。
SPM产品通常包括原子力显微镜（AFM）、扫描隧道显微镜（STM）和近场光学显微镜（NSOM）等多种类型。
AFM是SPM技术中最常用的一种，它通过探针的弹簧式接触与样品表面相互作用，获得样品的表面形貌。
STM则是利用电子的量子隧穿效应，通过测量电流来获取样品表面的原子位置和电子状态。
NSOM则结合近场光学和SPM技术，能够实现纳米级分辨率的光学显微镜成像。
二、SPM应用指南1.表面形貌研究：SPM可以对物体表面进行高分辨率的三维成像和形貌重建，对于研究材料的表面形貌变化、粗糙度和纳米结构具有重要意义。
特别是在纳米材料和纳米器件的研究中，SPM可以提供丰富的形貌信息。
2.力谱学分析：SPM可以通过测量探针与样品之间的相互作用力，获取样品的力学性能。
通过应变-应力关系的分析，可以得到材料的弹性模量、硬度和体积变形等性质。
3.电学性能研究：SPM可以检测和测量样品的电流、电压、电荷分布等电学性质。
尤其是在半导体器件和电子元器件的研究中，通过SPM技术可以实现对局部电学性能的定量分析。
4.生物医学研究：SPM在生物医学领域中发挥着重要的作用。
通过SPM技术，可以对生物样品的纳米结构、分子排列以及细胞结构进行研究。
并且，SPM技术还可以用于观察和测量细胞的力学特性，如柔软度和弹性变形等，对于癌细胞的早期诊断和治疗具有潜在的临床应用前景。
afm计算功函数
afm计算功函数摘要：一、引言二、AFM计算功函数的基本原理1.扫描探针显微镜（SPM）2.功函数的定义3.AFM计算功函数的方法三、AFM计算功函数的实验流程1.样品准备2.仪器校准3.数据采集4.数据处理与分析四、AFM计算功函数的应用1.材料表面形貌分析2.材料力学性能研究3.生物分子相互作用研究五、AFM计算功函数的优缺点1.优点2.缺点3.改进方向六、展望与总结正文：一、引言随着科学技术的不断发展，原子力显微镜（AFM）已成为材料科学、生物学等领域中不可或缺的实验工具。
其中，AFM计算功函数作为一种评估材料表面能量的重要方法，受到了广泛关注。
本文将详细介绍AFM计算功函数的基本原理、实验流程、应用及其优缺点，以期为相关领域的研究者提供参考。
二、AFM计算功函数的基本原理1.扫描探针显微镜（SPM）扫描探针显微镜（SPM）是一种扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）的统称，可以实现对材料表面形貌和力学性能的原子级观察。
2.功函数的定义功函数（Work Function）是指一个物体表面吸附自由电子的能力，即表面电子逸出势。
它是评估材料表面能量的一个重要参数。
3.AFM计算功函数的方法AFM通过检测探针与样品表面的相互作用力，可以实时监测样品表面的形貌变化。
通过分析探针在不同位置的响应信号，可以计算出功函数值。
三、AFM计算功函数的实验流程1.样品准备选择合适的样品，如金属、半导体等，对其进行清洁处理，确保表面无杂质。
2.仪器校准使用标准样品（如硅）对AFM进行校准，确保仪器性能稳定。
3.数据采集将AFM探针轻触样品表面，记录不同位置的响应信号。
4.数据处理与分析通过专业软件对采集到的数据进行处理，计算出功函数值。
四、AFM计算功函数的应用1.材料表面形貌分析AFM计算功函数可用于分析材料表面的原子级形貌，揭示其微观结构与性能之间的关系。
2.材料力学性能研究通过AFM计算功函数，可以评估材料的硬度、弹性模量等力学性能。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
扫描探针显微镜（scanning probe microscope,SPM） 一、 设备简介：
该仪器集成原子力显微镜(AFM)、摩擦力显微镜(LFM)、扫描隧道显微镜(STM)、磁力显微镜(MFM)和静电力显微镜(EFM) 于一体，具有接触、轻敲、相移成像、抬起等多种工作模式，能够提供全部的原子力显微镜 (AFM) 和扫描隧道 (STM) 显微镜成像技术，可以测量样品的表面特性，如形貌、粘弹性、摩擦力、吸附力和磁/电场分布等等。
●分辨率
原子力显微镜(AFM)：横向 0.26nm, 垂直 1nm（以云母晶体标定） 扫描隧道显微镜(STM)：横向 0.13nm, 垂直 0.1nm（以石墨晶体标定）●机械性能
样品尺寸：最大可达直径12mm，厚度8mm
扫描范围：125X125μm，垂向1μm
●型号：
Veeco NanoScope MultiMode扫描探针显微镜
本次培训着重介绍该设备常用模式：Contact Mode AFM
二、AFM独特的优点归纳如下:
(l)具有原子级的超高分辨率。
理论横向分辨率可达0.1nm，而纵向分辨率更高达0.01nm。
，从而可获得物质表面的原子晶格图像。
(2)可实时获得样品表面的实空间三维图像。
既适用于具有周期性结
构的表面，又适用于非周期性表面结构的检测。
(3)可以观察到单个原子层的局部表面性质。
直接检测表面缺陷、表面重构、表面吸附形态和位置。
２０１２ｉｓ ｃｏｍｉｎｇ
(4)可在真空、大气、常温、常压等条件下工作，甚至可将样品浸在液体中，不需要特殊的样品制备技术。
三、AFM的基本原理:
AFM基于微探针与样品之间的原子力作用机制。
以带有金字塔形微探针的“V”字形微悬臂(Cantilever)代替STM的针尖，当微探针在z向逼近样品表面时，探针针尖的原子与样品原子之间将产生一定的作用力，即原子力，原子力的大小约在10-8~10-12N之间。
与隧道电流类似，原子力的大小与探针一样品间距成一定的对应关系，这种关系可以由原子力曲线来表征一般而言，当探针充分逼近样品进入原子力状态时，如两者间距相对较远，总体表现为吸引力;当两者相当接近时，则总体表现为排斥力。
原子力变化的梯度约为10-13N/nm。
原子力虽然很微弱，但是足以推动极为灵敏的微悬臂并使之偏转一定的角度。
因此，微悬臂的偏转量与探针一样品间距成对应关系，在对样品进行XY扫描时，检测这一偏转量，即可获得样品表面的微观形貌。
图表 1 AFM原理示意图
图表 2 AFM测试点示意图
四、启用AFM(contact)功能测试步骤： 开机顺序：
z开启设备电脑开关及双屏显示器；
z开启显微镜光源；
z开启光学显微镜CRT显示器电源；
z将设备主部隔尘罩小心地取下，将显微镜调整至设备主机方向，光斑打到载物台中心处；
z打开设备主机电源，在主机controller的控制板上，确认AFM模式；
z打开pc中的 软件，激活软件与设备主机连接图标；
z在软件中设置当前样品需要的扫描范围，台阶高度，扫描速度等参数；台阶高度不可超多1μm，扫描速度设置在5μm/s以内为宜；
z倾斜着取下AFM针夹具，倒置于滤纸上，放于衣袖碰触不到的地方，以免碰伤悬臂
z放样品，样品粘于专用样品台片上，
z调整样品位置，在CRT上观察确定样品测试点位于下针位置附近；z放置AFM测试夹具，一定要小心，注意观察悬臂与样品表面的距离，若相距太近，则将测试夹具小心取出，放置妥当后，使用手动抬针方法将三个支柱抬高，同时保证三支柱设备光路台面水平；z高度调节到安全距离以后，小心地放入AFM针测试夹具,用肉眼结合CRT上观察确定样品与针的保持一段距离；
z固定夹具，此时主机显示屏上，标定激光器电压的SUM值为7V左右;
z探测器的水平偏差值（Horiz）接近0.0V,垂直偏差（Vert）接近
-2.0V；
z开始手动下针，注意时时观察光学显微镜CRT，下针过程中注意三轴的同步；
z当样品表面与悬臂焦距接近时，调节此时的horizontal deflection和vertical deflection值，分别至0V和-0.7～-0.8V 附近
z单击启动软件中自动下针控件，下针过程中注意观察主机中的水平偏差值（Horiz）和垂直偏差（Vert），示值趋势是减小的为正常；
z下针完成后，将扫描频率调低（即降低扫描速度），设置X轴与Y 轴的offset值（offset范围不得超过70μm），确定扫描位置和范围后，重新开始从上往下或从下往上扫描，并拍取图象。
z扫描完毕后，软件抬针，处理数据，保存。
z手动抬针，小心地将夹具取出，置于安全的位置，再取出样品，将载样品的圆片置于培养皿中，针测试夹具放回设备主机中。
关机顺序：
z关闭设备主控电源；
z关闭光学显微镜CRT电源、光源；
z将光学显微镜置于原本所在方向，盖上物镜盖；
z将主机隔尘罩小心的罩于主机上；
z关闭计算机电源及双屏显示器电源；
五、注意事项：
z此为精密设备，需倍加爱护；
z该设备需熟练掌握下针技巧后，才可独立操作；
z针夹具取出后，一定倒置于滤纸上，并保证放于衣袖碰触不到的地方；
z下针过程中注意观察主机中的水平偏差值（Horiz）和垂直偏差（Vert），示值趋势是减小的为正常；
z显微镜视场光斑打到样品台中心位置，保证样品台平整时，针在视场的中心位置；
z手动下针的过程中，调三轴调节钮时，注意观察水平偏差值（Horiz）和垂直偏差（Vert）；
z自动下针完成后，在调节X,Y offset确定扫描位置和范围的时候，务必先将采样频率降低；
z测试过程中，密切注意测试状态：显示CRT上针的状态及软件中可能出现超限提示的部分；
z测试过程中，尽量保正环境气流稳定，请缓慢行走，轻轻关门；
六、本设备其它功能：
以下为本设备理论上可实现的各种功能（需要购买相应配件予以实施）：
Appendix：
The MultiMode performs a full range of SPM techniques for surface characterization of properties like topography, elasticity, friction, adhesion, electrical and magnetic fields:
Tapping Mode
Contact Mode AFM
Phase Imaging
Lateral Force Microscopy (LFM)
Magnetic Force Microscopy (MFM)
Scanning Tunneling Microscopy (STM)
Force Modulation
Electric Force Microscopy (EFM)
Scanning Capacitance Microscopy (SCM)
Surface Potential Microscopy
Force-Distance and Force-Volume Measurements
Nanoindenting/Scratching
Electrochemical Microscopy (ECSTM and ECAFM) Phase Imaging
PicoForce Force Spectroscopy
and many more。