最新原子力显微镜的原理及应用
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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。
原子力显微镜的原理及应用
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。
Z XY
Cantilever 擺動 的方向
Mover
Mover
原子力显微镜的原理及应用
返回
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。
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。
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
原子力显微镜的原理及应用
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
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）
原子力显微镜的原理及应用
接触式原子力显微镜
原子力显微镜的原理及应用
非接触式（non contact mode）
原子力显微镜的原理及应用
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。
原子力显微镜的原理及应用
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
原子力显微镜的原理及应用
返回
成像原理
atom atom
atom atom
原子力显微镜的原理及应用
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。
Atomic Force Microscopy 原子力显微镜（AFM）
原子力显微镜的原理及应用
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
原子力显微镜的原理及应用
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）
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。
原子力显微镜的原理及应用
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。
原子力显微镜的原理及应用
接触式（ contact mode）
原子力显微镜的原理及应用
非接Βιβλιοθήκη Baidu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
Expulsive force
Attractive force
原子力显微镜的原理及应用
恒定力量或者恒定高度
原子力显微镜的原理及应用
探针如何成像
原子力显微镜的原理及应用
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
Cantilever 擺動 的方向
原子力显微镜的原理及应用
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。
原子力显微镜的原理及应用
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。
原子力显微镜的原理及应用
间歇接触式（tapping mode）
原子力显微镜的原理及应用
返回
原子力显微镜的构成
原子力显微镜的原理及应用
原子力显微镜的原理及应用
原子力显微镜的原理及应用
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。
原子力显微镜的原理及应用
力检测部分： 在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的
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。
原子力显微镜的原理及应用
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。
Z XY
Cantilever 擺動 的方向
Mover
Mover
原子力显微镜的原理及应用
返回
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。
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。
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
原子力显微镜的原理及应用
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
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）
原子力显微镜的原理及应用
接触式原子力显微镜
原子力显微镜的原理及应用
非接触式（non contact mode）
原子力显微镜的原理及应用
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。
原子力显微镜的原理及应用
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
原子力显微镜的原理及应用
返回
成像原理
atom atom
atom atom
原子力显微镜的原理及应用
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。
Atomic Force Microscopy 原子力显微镜（AFM）
原子力显微镜的原理及应用
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
原子力显微镜的原理及应用
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）
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。
原子力显微镜的原理及应用
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。
原子力显微镜的原理及应用
接触式（ contact mode）
原子力显微镜的原理及应用
非接Βιβλιοθήκη Baidu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
Expulsive force
Attractive force
原子力显微镜的原理及应用
恒定力量或者恒定高度
原子力显微镜的原理及应用
探针如何成像
原子力显微镜的原理及应用
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
Cantilever 擺動 的方向
原子力显微镜的原理及应用
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。
原子力显微镜的原理及应用
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。
原子力显微镜的原理及应用
间歇接触式（tapping mode）
原子力显微镜的原理及应用
返回
原子力显微镜的构成
原子力显微镜的原理及应用
原子力显微镜的原理及应用
原子力显微镜的原理及应用
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。
原子力显微镜的原理及应用
力检测部分： 在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的