原子力显微镜(AFM)—上海交大分析测试中心
原子力显微分析(AFM)
为解决接触式 AFM 可能破坏样品的缺点，
3.2 非接触式成像模式
在非接触模式中，针尖保持在试 样上方数十到数百埃的高度上，通常 以小于 10nm 的振幅在样品表面吸附 的液质薄层上方振动 [ 图 3-10(b)] 。非 接触模式对研究软质和弹性材料很有 利，可用于活性生物样品的现场检测、 对溶液反应进行现场跟踪等。
1. 引言
AFM针尖可作极微小移动，这个性 质 被 用 来 做 “ 纳 操 作 ” (nano manipulation) 。可以用于操纵 ( 拨动)分子、 原子，进行纳米尺度的结构加工和超高 密度信息存储。
和 STM 一样， AFM 实验既可在超高 真空中、也可在大气、溶液以及反应性 气氛等环境中进行。
针尖放大效应不仅会将小的结 构放大，而且还会造成成像的不真实， 特别是在比较陡峭的突起和沟处。
3.4 针尖放大效应
AFM 图像是针尖与样品真实形 貌卷积后的结果，应该采取合适的方 法去卷积，还原表面结构的真实形貌。 对于简单的、规则的体系，多采用几 何方法去卷积，但要真正实现对未知 样品表面的 AFM 图像去卷积十分困 难。
在恒力模式(Constant Force Mode) 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。
原子力显微镜(afm)的基本构成
原子力显微镜（afm）的基本构成原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种用来观察物质表面形貌的高精密显微镜。
它采用原子力探针技术，可以在几个纳米至几个微米的尺度范围内进行观测，并能提供非常高分辨率的表面形貌信息。
AFM的基本构成包括机械支撑系统、探针系统和控制系统。
下面将分别介绍其构成要素。
1.机械支撑系统：机械支撑系统是AFM的重要组成部分，用于稳定和保持探针与样品之间的相对位置。
它通常由几个关键部件组成：-扫描装置：扫描装置用于水平移动样品或探针，以实现对样品表面的扫描。
扫描装置由X、Y、Z三个方向上的驱动器组成，可实现物理、电机或压电驱动。
-压电陶瓷：压电陶瓷在AFM中用于控制探针的位置和微小位移。
当施加电压时，压电陶瓷会发生形变，从而移动探针的位置。
-悬臂杆：悬臂杆作为一种机械支撑装置，用于支撑和稳定探针的位置。
悬臂杆通常由弹性材料制成，如硅或硅质材料。
2.探针系统：探针系统是AFM的核心部件，用于接触和测量样品表面的形貌。
探针系统通常由两个主要组件组成：-探针：探针是AFM中与样品直接接触并进行测量的部分。
它通常由硅制成，并在其一侧附着探针尖端。
探针尖端具有非常小的尺寸，在几纳米至几十纳米之间。
-接收器：接收器用于接收探针与样品之间的相互作用力。
它通常由光学或电子传感器组成，可测量探针的位移，并将其转换为电信号。
3.控制系统：控制系统用于控制和测量AFM的各种参数，以提供准确的表面形貌信息。
它通常由几个关键组件组成：-仪器控制器：仪器控制器用于控制AFM的各种操作，如扫描速度、力量控制等。
它具有一个用户界面，可以通过操作界面进行参数设置和图像显示。
-数据采集卡：数据采集卡用于接收和记录探针接触样品时的力信号，并将其转换为数字信号。
这些数据可以被后续分析软件用于生成图像和数据处理。
-反馈系统：反馈系统用于监测和控制探针与样品之间的相互作用力。
它通过比较实际测量力和设定的参考力，并调整探针位置和扫描速度，以保持探针与样品之间的相对位置不变。
原子力显微镜原理介绍
原子力显微镜原理介绍原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种利用原子力相互作用的显微镜，可以在原子尺度上对样品表面进行高分辨率的成像。
AFM具有高分辨率、高灵敏度、无需对样品进行特殊处理等优点，被广泛应用于材料科学、生物科学等领域。
AFM的原理基于力电荷耦合作用。
当扫描探针和样品表面之间存在距离时，由于它们之间的静电力、范德华力及表面张力等作用，会使探针弯曲。
AFM通过在探针上施加压电力来对探针进行调节，使与样品表面的相互作用力保持恒定，从而测量得到探针的形变信息。
通过对形变信息的处理，可以得到样品表面的三维拓扑图像。
AFM的核心组成部分是扫描探头和力传感器。
扫描探头通常由一个尖端和一段弯曲的弹簧杆组成。
尖端的大小一般在纳米尺度，可以用于成像不同大小和形状的样品。
弹簧杆的弯曲情况则是通过力传感器来测量的。
在AFM操作过程中，首先将样品固定在一个大型可移动的扫描平台上。
然后，将扫描探头靠近样品表面，使其与样品之间的距离保持在1-10纳米的量级范围内。
通过扫描平台的控制，可以使探针在样品表面上进行扫描。
当探针在样品表面上移动时，它所受到的相互作用力会随着扫描位置的改变而改变。
根据探针的形变，可以准确测量样品表面的高程和形貌信息。
AFM可以通过不同的模式进行操作，常见的模式包括接触模式、非接触模式和振动模式等。
接触模式是最常用的模式，通过将探针与样品表面保持接触，测量形变信息。
非接触模式则是通过探针与样品表面之间的范德华力进行作用，避免了对样品的破坏。
振动模式则是通过控制探针的共振频率来得到形变信息。
AFM不仅可以提供样品表面形貌信息，还可以测量样品的力学性质。
通过改变探针与样品表面之间的相互作用力的大小和方向，可以测量样品的硬度、弹性模量等力学参数。
总之，原子力显微镜是一种利用原子力相互作用实现高分辨率成像的显微镜。
通过测量探针的形变信息，可以获得样品表面的三维拓扑图像和力学性质。
AFM_原子力显微镜简介(1)概述
2.接触式AFM工作原理
样品放置在扫描器上方，扫描器中的压电陶瓷管在外加电压的 作用下，可以在X、Y 和Z 方向上独立运动。SPM 探头中的 激光器发出激光，照射在探针的尖端背面，经反射后，落在 光斑位置检测器上。光斑位置检测器上下部分的光强差产生 了上下部分的电压差，通过测量这个压差，就可以得到光斑 位置的变化量。
谢谢！
2.接触式AFM工作原理
当探针在样品表面扫描时，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，光斑位置检测器上 下部分的电压差值也发生改变。反 馈电路测量这个差值，通过改变加 在扫描器Z 方向上的电压，保持这 个差值的恒定，计算机记录这个电 压，即反映了样品的表面形貌。
原子力显微镜（AFM）
1.概述 2.工作原理 3.仪器介绍 4.成像模式 5.AFM应用 6.AFM的缺陷
1.概述
• AFM (Atomic Force Microscope)原子力 显微镜 以原子间力为理论基础的显微镜， 从STM（扫描隧道显微镜）发展而来 • 以原子尺寸观察物质表面结构 • 金属、半导体、绝缘体 • 大气、液体环境下直接观察 • 精确测量样品的尺寸参数精确测 量样品的尺寸参数
3.仪器介绍
4.成像模式
4.1 接触模式 • 针尖与样品表面距离小，利用原子间 的斥力 • 可获得高解析度图像 • 样品变形，针尖受损 • 不适合表面柔软的材料
针尖 样品表面
接触模式
4.成像模式
4.2 轻敲模式 • 探针在Z轴维持固定频率振动，当振动到 谷底时与样品表面接触 • 对样品破坏小 • 分辨率几乎与接触模式相同
2.轻敲式AFM工作原理
用一个外加的振荡信号驱动探针在样品 表面上方振动。探针振动的振幅也可通 过光斑位置检测器的上下部分的光强差 来确定。
原子力显微镜法
原子力显微镜法原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，简称AFM）是一种高分辨率的表面形貌和力学特性测量技术。
它通过在探针和样品表面之间施加微小的力量，利用谐振频率变化的检测原理获得样品表面的拓扑信息，从而实现纳米尺度的观测和测量。
本文将介绍 AFM 的基本原理、操作流程及其在纳米科学与纳米技术领域的应用。
一、基本原理原子力显微镜是基于探针与样品表面之间相互作用力的测量原理工作的。
探针端通过弹性变形受到样品表面的力作用，且力与距离成反比。
AFM以原子尺度的分辨率测量表面形貌，使用悬臂梁弹簧探针，通过测量力传感器的弯曲程度得到样品表面的高低起伏。
由于探针尖端可以被加工成非常尖锐的形状，所以可以实现纳米级别的表面成像。
二、操作流程1. 样品准备：将待测样品表面进行清洗和处理，确保表面干净平整。
2. 探针安装：选择合适的探针并安装在原子力显微镜仪器上。
3. 探针校准：使用标定样品或试样进行探针的校准调整，以确保测量结果的准确性。
4. 调整参数：根据样品的特性和需要测量的参数，进行原子力显微镜的工作参数设置。
5. 表面成像：将样品放置在仪器台面上，通过控制探针的移动和扫描模式，实现对样品表面的成像。
6. 数据分析：对得到的图像进行处理和分析，提取所需的拓扑和力学信息。
三、应用领域原子力显微镜法在纳米科学与纳米技术领域有着广泛的应用。
1. 表面形貌分析：原子力显微镜可以实现对材料表面的纳米级别形貌观测，如纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜等的形貌表征。
2. 纳米力学性质研究：通过在原子力显微镜中加入力曲线扫描模式，可以测量材料的力学性质，如硬度、弹性模量等。
3. 表面化学成分分析：结合原子力显微镜与其他表征手段，如扫描电子显微镜、能谱分析等，可以实现对样品表面化学成分的分析。
4. 生物医学应用：原子力显微镜可实现对生物分子及细胞的高分辨率成像和测量，对生物医学研究具有重要意义。
5. 纳米加工与纳米制造：利用原子力显微镜的扫描控制功能，可以进行纳米级别的构筑、雕刻和操控，用于纳米加工技术和纳米器件制造。
原子力显微镜原理
原子力显微镜原理
原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种用于表面形貌分析的高分辨率显微镜。
它能够通过扫描样品表面并测量样品与
探针之间的相互作用力来获得样品的形貌信息。
AFM主要由扫描头、扫描电路和数据采集系统三个部分组成。
AFM的扫描头是由一个微小的探针组成，通常采用硅或者金属材料制成。
探针的尖端直径只有几纳米，可以在样品表面进行非接触式扫描，不会对样品造成损伤。
探针尖端与样品表面之间存在相互作用力，这
种力可以通过弹性变形、范德华力和静电吸引等方式产生。
AFM的扫描电路主要由纳米定位器、压电陶瓷等元器件组成。
它能够实现对探针进行精确定位，并调节探针与样品之间的距离和相互作用
力大小。
同时，在扫描过程中，它还能够实时监测和反馈探针与样品
之间的相互作用力，以保证数据采集质量。
AFM的数据采集系统主要由扫描控制器和图像处理器组成。
扫描控制器能够实时获取探针与样品之间的相互作用力信号，并将其转换为数
字信号进行处理。
图像处理器则能够对采集到的数据进行图像重建和
后处理，以获得样品表面的形貌信息。
总结起来，AFM的原理就是通过扫描头对样品表面进行非接触式扫描，并通过测量探针与样品之间的相互作用力来获取样品表面形貌信息。
AFM具有高分辨率、高灵敏度、不破坏性等优点，已经广泛应用于生物学、材料科学等领域的研究中。
原子力显微镜(afm)的基本构成
原子力显微镜（afm）的基本构成原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种测量样品表面形貌和力学性质的仪器。
它是在20世纪80年代末发展起来的一种非接触式表面探测技术。
AFM可以在几个纳米至亚纳米尺度范围内进行表面测量，可用于对样品的形貌、磁性、电导率等性质进行研究。
下面将介绍AFM的基本构成。
1.扫描压电陶瓷动力系统：该系统由扫描器和压电陶瓷驱动器组成。
扫描器通常由三个方向的压电陶瓷构成，通过改变瓷片的形变来实现样品表面的扫描。
压电陶瓷驱动器则负责产生电压信号，控制扫描器的移动。
这个系统的精度决定了扫描和测量的精度。
2.悬臂梁/探针：AFM的探测部分由一个非常尖锐的探针组成。
探针的尖端通常是金或硅制成，其尺寸可以从几纳米到亚纳米。
悬臂梁/探针连接到悬臂支撑系统，其作用是传递扫描过程中对样品表面的力信号。
3.光学探测系统：AFM使用光学技术来获取样品的形貌信息。
光学系统通常包括激光光源、光学透镜和位移检测器。
激光光源发出一束光束，照射到悬臂梁上，并反射到位移检测器上。
位移检测器测量悬臂的挠度，并将其转换为电信号。
4.反馈系统与力曲线：AFM通过一个反馈系统来实现对扫描过程中的力信号的控制。
反馈系统会监测探针受到的力，将其与设定的力进行比较并进行调整，以保持恒定的力作用在探针上。
此外，反馈系统还会记录力曲线，即探针所受到的力与其在样品表面扫描位置之间的关系。
5.控制和数据分析系统：AFM的控制系统通过电脑来实现。
该系统控制扫描器的移动和力信号的获取，并根据获取的数据进行分析和处理。
用户可以通过电脑软件来控制AFM仪器的各种参数，并进行样品表面的三维成像、力谱分析等。
除了以上基本构成外，AFM还可以根据研究需求配备不同的显微镜头，以扩展其应用范围。
常见的显微镜头包括原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）、磁力显微镜（Magnetic Force Microscope，简称MFM）、电导率显微镜（Conductive Atomic Force Microscope，简称C-AFM）等。
2-原子力显微镜AFM
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2.2.1 原子力显微镜的基本原理
AFM的微小的针尖
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2.2.2原子力显微镜微悬臂偏转的检测方法
AFM的图像是通过在样品表面上扫描时测量微悬臂受力弯曲后偏转的程度得到 的。采用不同的微悬臂偏转的检测方式就构成了不同的AFM工作原理。检测微悬臂偏转 的方式有很多种，其精度将直接影响到AFM的原子分辨率。最常用的有四种：
在电容测量法中，微悬臂作为构成平行平板电容器的一块平板 之一，而另一块平板则平行地位于微悬臂的上方，如图所示。
微悬臂的偏转值将通过测量该电容器的电容值的变化得到。它 的垂直位移检测精度达到0.03nm。电容测量法是所介绍的这几种 常用微悬臂偏转检测方法中精度稍差的一种。
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2.2.3原子力显微镜的微悬臂及针尖
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2.2.1 原子力显微镜的基本原理
AFM的工作原理如图所示。对 微弱力极其敏感的微悬臂一端固定， 另一端则有一微小的针尖。在图像 扫描时，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 存在极微弱的排斥力(10-8~10-6N)， 会使悬臂产生微小偏转。这种偏转 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，从而可以获得样 品表面形貌的图像。各种形式的 AFM的区别主要在微悬臂偏转的检 测方式上，通常有隧道电流检测法， 光学检测法和电容测量法。
2.2 原子力显微镜（AFM） 2.2.1 原子力显微镜的基本原理
STM只能在导电材料的样品表面上分辨出单个的原子并得到原 子结构的三维图像。对于非导电材料， STM将无能为力，应用受到 了限制。为了弥补STM的不足，分辨绝缘表面上的单个原子，1986 年，Binnig，Quate和Gerber发明了原子力显微镜(AFM)。AFM是 一种类似于STM的显微技术，它的许多元件与STM是共同的，如用 于二维扫描的压电陶瓷系统以及反馈控制器等。它与STM主要不同 点是用一个对微弱力极其敏感的易弯曲的微悬臂针尖来代替STM的 隧道针尖，并以探测悬臂的微小偏转代替了STM中的探测微小隧道 电流。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。
原子力显微镜AFM
四、对样品的要求
原子力显微镜研究对象可以是有机固体、聚合物以及生物大分子等，样品的载体选择范围 很大，包括云母片、玻璃片、石墨、抛光硅片、二氧化硅和某些生物膜等，其中最常用的是 新剥离的云母片，主要原因是其非常平整且容易处理。而抛光硅片最好要用浓硫酸与 30%双 氧水的7∶3 混合液在90 ℃下煮1h。利用电性能测试时需要导电性能良好的载体，如石墨或 镀有金属的基片。
非接触模式（Non-Contact Mode）： 优点：没有力作用于样品表面。
缺点：由于针尖与样品分离，横向分辨率低；为了避免接触吸附层而导致针尖胶粘，其扫描 速度低于Tapping Mode和Contact Mode AFM。通常仅用于非常怕水的样品，吸附液层必须 薄，如果太厚，针尖会陷入液层，引起反馈不稳，刮擦样品。由于上述缺点， oncontact Mode的使用受到限制。
如图所示，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。
一、仪器结构
在原子力显微镜（Atomic Force Microscopy， AFM）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。
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（cantilever ）来检测 原子之间力的变化量。微悬臂通常由一个一般 100~500μ m长和大约500nm~5μ m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。
afm原子力显微镜简介
量样品的尺寸参数
•2.工作原理
•
•在原子力显微镜的系统中, 是 利用微小探针与待测物之间交 互作用力, 来呈现待测物的表面 之物理特性。
2.工作原理
• 将一个对力极为敏感的微悬臂的一端固定, 另一端固定针尖 • 当针尖在样品表面扫描时, 因针尖尖端原子与样品表面原子
• 1.偏移图（错位信号图）
•
在接触模式下, 通过记录反
射激光束在PSPD上的即时信号与预
设信号之间的电压差而成像。
5.辅助图像
• 2.振幅图
•
在接触模式下, 给微悬臂加上一个小振幅、
低频率的简谐振动后（力调制技术）, 通过记录微
悬臂振幅的变化而成像。
• 3. 相图
•
是与振幅图相类
似, 在轻敲模式下, 通
6.AFM应用
• 观测生物样品
• λ-DNA
• 霍乱菌
6.AFM应用
• 表面信息统计分析
7.AFM的缺陷
• 1.较小的扫描范围, 100μm到 10nm, 容易将局部的、特殊的 结果当作整体的结果而分析, 以及使实验结果缺乏重现性。
• 2.极其高的分辨率, 使得在样 品制备过程中产生的或者是从 背景噪音中产生的极小赝像都 能够被检测、观察到, 产生赝 像。
afm原子力显微镜简介
主要内容
• 1.概述 • 2.工作原理 • 3.仪器介绍 • 4.成像模式 • 5.辅助图像 • 6.AFM应用 • 7.AFM的缺陷
1.概述
• AFM (Atomic Force Microscope)原子力 显微镜 以原子间力为理论基础的显微镜, 从STM（扫描隧道显, 振
科研仪器设备案例库
科研仪器设备案例库背景科研仪器设备在科学研究中起着至关重要的作用。
通过使用先进的仪器设备，研究人员能够获得更准确、更可靠的实验数据，从而推动科学的发展和进步。
为了帮助科研人员更好地了解和选择适合自己研究需要的仪器设备，建立一个案例库是非常有必要的。
本文将提供一些具体案例，包括案例的背景、过程和结果，以期为读者提供代表性和启发性的信息。
案例一：原子力显微镜（AFM）背景原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种利用探针与样品之间相互作用力测量样品表面形貌和物理性质的高分辨率显微镜。
它可以在原子尺度上观察到样品表面的拓扑结构，并且可以测量样品表面的力学、电学等性质。
过程某研究团队使用AFM对一种新型纳米材料进行了表征。
首先，他们制备了纳米材料的样品，并将其放置在AFM的扫描平台上。
然后，他们选择了合适的探针，并进行了一系列的参数设置，例如扫描速度、扫描范围等。
接下来，他们通过控制扫描平台和探针，使探针与样品表面接触，并记录下样品表面形貌的数据。
最后，他们对数据进行分析，得到了纳米材料的表面形貌图像以及一些力学性质的测量结果。
结果通过使用AFM，研究团队成功地获得了纳米材料的高分辨率表面形貌图像。
他们观察到了纳米材料表面的微观结构，并测量了其粗糙度、颗粒大小等参数。
此外，他们还通过应用力-距离曲线法（Force-Distance Curve）测量了纳米材料的力学性质，如弹性模量、硬度等。
这些结果为进一步研究该纳米材料的物理性质提供了重要参考。
案例二：质谱仪背景质谱仪是一种用于分析和鉴定化学物质的仪器设备。
它通过将化学物质分子转化为离子，并根据离子的质量-电荷比进行分离和检测，从而确定化学物质的组成和结构。
过程一个研究小组使用质谱仪对一种新合成的有机化合物进行了分析。
首先，他们将样品注入到质谱仪中，并通过加热或电离源使其转化为离子。
然后，他们使用质谱仪中的质量分析器对离子进行分离，并根据其质量-电荷比记录下信号强度。
AFM原子力显微镜
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；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。
AFM是由G.Binning在STM的基础上于1986年发明的表面观测仪器。
AFM=Atomic Force Microscope（原子力显微镜）。
原子力显微镜与扫描隧道显微镜相比，由于能观测非导电样品，因此具有更为广泛的适用性。
当前在科学研究和工业界广泛使用的扫描力显微镜（Scanning Force Microscope），其基础就是原子力显微镜。
原理：当原子间距离减小到一定程度以后，原子间的作用力将迅速上升。
因此，由显微探针受力的大小就可以直接换算出样品表面的高度，从而获得样品表面形貌的信息。
分类﹕(1) 接触式﹕利用探针和待测物表面之原子力交互作用(一定要接触)，此作用力(原子间的排斥力)很小，但由于接触面积很小，因此过大的作用力仍会损坏样品，尤其对软性材质，不过较大的作用力可得较佳分辨率，所以选择较适当的作用力便十分的重要。
由于排斥力对距离非常敏感，所以较易得到原子分辨率。
(2) 非接触式﹕为了解决接触式之AFM 可能破坏样品的缺点，便有非接触式之AFM 被发展出来，这是利用原子间的长距离吸引力来运作，由于探针和样品没有接触，因此样品没有被破坏的问题，不过此力对距离的变化非常小，所以必须使用调变技术来增加讯号对噪声比。
在空气中由于样品表面水模的影响，其分辨率一般只有50nm，而在超高真空中可得原子分辨率。
(3) 轻敲式﹕将非接触式AFM 改良，将探针和样品表面距离拉近，增大振福，使探针再振荡至波谷时接触样品由于样品的表面高低起伏，使的振幅改变，再利用接触式的回馈控制方式，便能取得高度影像。
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。
AFM原子力显微镜操作步骤
AFM原子力显微镜操作步骤AFM（Atomic Force Microscope），即原子力显微镜，是一种能够进行纳米尺度观测和测量的仪器。
其操作步骤可以分为以下几个主要部分：1.准备工作：a.确保实验室环境干净，安全且具备所需的温湿度条件。
b.打开AFM设备，在计算机上启动控制软件。
c.检查AFM设备的仪器和探头是否完好，并确保其正确安装。
2.样品处理：a.准备待测样品并将其固定在适当的基板上。
样品类型可以是固体、溶液或生物体。
b.在样品表面上选择并纳米尺度的扫描区域。
3.控制软件设置：a.在计算机上打开AFM控制软件，并选择适当的实验模式和参数设置。
b.确定所需的扫描范围和扫描方向，并设置扫描速度和采样率等参数。
4.探针校准：a.在探针针尖上涂覆一层导电性材料，例如金属。
b.将探头放置在AFM装置上，并进行力常数和质量标定等预处理步骤。
5.调整样品高度：a.使用显微镜透视系统观察样品表面，通过样品位置调整器上的粗调按钮将探头向样品移近，直到探头与样品表面接触。
b.利用AFM控制软件中的Z轴控制器进行微调，并观察探头与样品表面的接触力变化。
6.开始扫描：a.使用AFM控制软件中的扫描按钮启动扫描过程。
b.观察和监控扫描过程中的实时图像，并调整扫描参数以获得清晰的图像。
c.根据需要，可以选择不同的测量模式和扫描范围，例如原子分辨率扫描或表面形貌测量。
7.数据分析：a.在完成扫描后，保存所得到的数据图像。
b.利用AFM控制软件提供的分析工具对图像进行数据处理和图像重建等操作。
c. 使用其他图像处理软件，如ImageJ或MATLAB，对数据进行进一步分析和图像处理。
8.整理和存档：a.将测量结果整理成报告或记录，并保存在计算机或其他存储介质上。
b.清理和整理实验设备，确保其安全可靠，并在完成后关闭AFM控制软件。
总之，AFM的操作步骤涉及样品处理、控制软件设置、探针校准、调整样品高度、开始扫描、数据分析以及整理和存档等环节。
原子力显微镜-仪器百科
一、原子力显微镜简介原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM），一种可用来研究包括导体、半导体和绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。
它的横向分辨率可达0.15m，而纵向分辨率可达0.05m，AFM最大的特点是可以测量表面原子之间的力，AFM可测量的最小力的量级为10-14-10-16N。
AFM还可以测量表面的弹性，塑性、硬度、黏着力等性质，AFM还可以在真空，大气或溶液下工作，也具有仪器结构简单的特点，在材料研究中获得了广泛的研究。
它与其他显微镜相比有明显不同，它用一个微小的探针来”摸索”微观世界，AFM超越了光和电子波长对显微镜分辨率的限制，在立体三维上观察物质的形貌，并能获得探与样品相互作用的信息，典型AFM的侧向分辨率（x，y）可达到2nm，垂直分辩牢（方间）小于0。
1mmAFM具有操作客易、样品准备简单、操作环境不受限制、分辨率高等优点。
二、原子力显微镜的基本原理AFM中为检测出表面力而精细加工的感知杠杆使用了一端支撑的微小弹簧板。
在感知杠杆的尖端有半径几十纳米、非常尖的小探针，感知杠杆从试件表面受到探针的作用力变形。
感知杠杆的弹性系数K 一般为已知，通过用隧道电流或激光束偏移，来检测感知杠杆在Z方向上的微小位移△Z，可知作用在探针一表面之的局力（F=K△Z）。
一边测定该力，一边对试样进行机械的二维扫描，就能得到试样表面力的二维像。
为保持力的信号稳定，一边控制试样Z方向的位置，一边扫描试样，记录各点的移动量，就可以得到三维的精细形貌像。
图1当探针尖和试件表面的距离缩小到纳米数量级时，探针尖端原子和试件表面原子间的相互作用力就显示出来，由于原子间距离缩小产生相互作用，造成原子间的高度势垒降低，使系统的总能量降低，于是二者之间产生吸引力（范德华力），如果两原子间距离继续减小接近到原子直径量级时，由于两原子间的电子云的不相容性，两原子间的相互作用为排斥力（库仑力），原子力显微镜就是通过检测探针尖和试件表面原子间的相互作用力而进行测量的。
送样须知 - 上海交通大学分析测试中心
上海交通大学分析测试中心 送样须知Iac_office@2014‐3‐24目录材料微区分析室各台仪器送样须知 (4)(一)分析型透射电子显微镜（TEM）送样须知： (4)（二）生物型透射电子显微镜（BIO-TEM）送样须知： (5)（三）高分辨场发射扫描电子显微镜（SEM）送样须知： (7)（四）低真空超高分辨场发射扫描电子显微镜（SEM-LV）送样须知： (8)（五）大气下原子力显微镜（AFM）送样须知： (8)（六）环境可控扫描探针显微镜（SPM）送样须知： (9)（七）生物型原子力显微镜（AFM）送样须知： (10)（八）色散型共聚焦拉曼光谱仪（RAM）送样须知： (10)（九）变角度光谱椭圆偏振仪（VEL）送样须知： (11)（十）纳米粒度分析仪（PCS）送样须知： (12)（十一）离子溅射仪&蒸碳仪（IS）送样须知： (12)（十二）高温/真空/气份环境光学显微镜&CCD相机（HTOM）送样须知： (13)材料物性分析室各台仪器送样须知 (14)（一）综合物性测量系统（PPMS）送样须知： (14)（二）X射线光电子能谱仪（XPS）送样须知： (14)（三）扫描型X射线荧光光谱仪（XRF）送样须知： (16)（四）X射线衍射仪送样须知 (16)（五）能量色散X射线荧光光谱仪送样须知 (17)（六）小角X射线散射仪 (17)化学室各台仪器送样须知 (19)(一) 火焰-石墨炉原子吸收分光光度计 (19)(二) 电感耦合等离子体发射光谱仪 (19)(三) 电感耦合等离子体质谱 (20)(四) 离子色谱仪 (21)(五) 高频红外碳硫分析仪 (21)(六) 400MHz核磁共振波谱仪 (22)(七) 傅里叶变换离子回旋共振质谱仪 (23)(八) 圆二色光谱仪 (24)(九) 红外光谱仪 (25)(十) 显微红外光谱仪 (26)(十一) 自动旋光仪 (28)(十二) 紫外可见分光光度计 (28)(十三) 动态热机械分析仪 (29)(十四) 差示扫描量热仪 (30)(十五) 热重分析仪 (31)(十六) 同步热分析仪 (34)生命科学室各台仪器送样须知 (37)（一）超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱联用仪（UMS）来样须知： (37)（二）气相色谱仪（GC）来样须知： (38)（三）气相色谱-质谱联用仪（GCM）来样须知： (40)（四）全二维气相色谱-飞行时间质谱联用仪（GCT）来样须知： (41)（五）元素分析同位素质谱联用仪（EAI）来样须知： (42)（六）二维纳升液相色谱-线性离子阱质谱联用仪（LTQ）来样须知： (44)（七）纳升液相色谱-四极杆飞行时间串联质谱联用仪（NLM）来样须知： (45)（八）高效液相色谱仪（HPL）来样须知： (47)（九）高效液相色谱仪（HPL）来样须知： (48)（十）全自动氨基酸分析仪（AAA）来样须知： (49)（十一）超高效液相色谱-三重四极杆质谱联用仪（QQQ）来样须知： (52)材料微区分析室各台仪器送样须知尊敬的老师/客户，为了提高仪器的使用效率、保证检测质量、并向您提高满意的服务，请您在送样之前仔细阅读以下各仪器对送检样品的要求。
原子力显微镜(AFM)
原子力显微镜的特点
原子力显微镜同样具有原子级的分辨 率。由于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
单原子操纵和纳米加工
STM的针尖不仅可以成像，还可以用于操纵表面上的原子 或分子
最简单的方法是将针尖下移，使针尖顶部的原子和表面上 的原子的“电子云”重叠，有的电子为共享，会产生一种 与化学键相似的力。在一些场合下，这种力足以操纵表面 上的原子
➢ 当距离>0.6nm时，STM针尖和样品表面之间的化学相互作用 在单原子操纵过程中不起主导作用，这样，原子的操纵则取决 于针尖和样品表面之间的纯电场或电流效应
单原子操纵的三个部分
➢ 单原子的移动（displacement） ➢ 单原子的提取（extraction） ➢ 单原子的放置（deposition）
在现代超大规模集成电路芯片的光刻生产加工中，目前 广泛应用于实际生产、精度最高的是深紫外光光刻技术。 它加工的最小线宽为130nm，其理论极限是100nm
最小线宽决定了集成电路中晶体管尺寸的大小。因此， 发展100nm以下的刻蚀技术是未来更大规模集成电路 加工的基础
AFM与STM在纳米技术加工方面都具有很强的应用背 景。AFM不受材料种类的限制，在各种材料的加工中得 到了更广泛的应用
氧化硅纳米细线的加工
用多壁碳纳米管针 尖在Si的氢钝化表面 上加工 出的SiO2纳
米结构
SiO2纳米细线构成 的微小的单词
“nanotube”和 “nanopencile”
10nm线宽在石墨表面刻写的字符 Chinese Academy of Sciencer
为了更有效地操纵表面上的原子，通常在针尖和表面之间 加上一定的能量，如电场激励、电流激励、光子激励等能 量方式
原子力显微镜(AFM)
由於AFM具有原子級的解析度，是各種薄膜粗糙度檢測，及微觀表面結構研究 各種薄膜粗糙度檢測， 各種薄膜粗糙度檢測 的重要工具，並且也很適合與掃描電子顯微鏡相搭配，成為從mm至nm尺度的 的重要工具 表面分析儀器；而AFM亦可在液體環境中操作，更可用來觀測材料表面在化學 觀測材料表面在化學 表面分析儀器 反應過程中的變化，以及生物活體的動態行為 生物活體的動態行為，可廣泛應用於生物科技及醫學 反應過程中的變化 生物活體的動態行為 科技上。另外就是AFM亦可應用於奈米結構之製作與加工 應用於奈米結構之製作與加工，目前已有多種可行 應用於奈米結構之製作與加工 方法，應用於超高密度記憶裝置及次微米電子元件的製作 應用於超高密度記憶裝置及次微米電子元件的製作。 應用於超高密度記憶裝置及次微米電子元件的製作
AFM的操作模式可大略分為以下三種：(1)接觸式：在接觸式操作下，探針與樣品問 的操作模式可大略分為以下三種： 接觸式 在接觸式操作下， 接觸式： 的操作模式可大略分為以下三種 的作用力是原子間的排斥力， 的作用力是原子間的排斥力，這是最早被發展出來的操作模式，由於排斥力對距離 非常敏感，所以接觸式AFM較容易得到原子解析度。在一般的接觸式量測中，探針 與樣品問的作用力很小，約為10-6至10-10N (Newton)，但由於接觸面積極小，因此過 大的作用力仍會損壞樣品表面，但較大的的作用力通常可得到較佳的解析度。因此 選擇適當的的作用力，接觸式的操作模式是十分重要的。(2)非接觸式：為了解決接 非接觸式： 非接觸式 觸式AFM可能損壞樣品的缺點，便有非接觸式AFM發展出來，這是利用原子間的長 可能損壞樣品的缺點，便有非接觸式 發展出來， 觸式 可能損壞樣品的缺點 發展出來 距離吸引力『凡德瓦爾力』來運作。 距離吸引力『凡德瓦爾力』來運作。凡德瓦爾力對距離的變化非常小，因此必須使 用調變技術來增強訊號對雜訊比，便能得到等作用力圖像，這也就是樣品的高度影 像。一般非接觸式AFM只有約50nm(10-9m)的解析度，不過在真空環境下操作，其解 析度可達原子級的解析度，是AFM中解析度最佳的操作模式。(3)輕敲式：第三種輕 輕敲式： 輕敲式 敲式AFM則是將非接觸式加以改良，其原理係將探針與樣品距離加近，然後增大振 則是將非接觸式加以改良，其原理係將探針與樣品距離加近， 敲式 則是將非接觸式加以改良 幅，使探針在振盪至波谷時接觸樣品，由於樣品的表面高低起伏，使得振幅改變， 使探針在振盪至波谷時接觸樣品， 再利用類似非接觸式的迴饋控制方式，便能取得高度影像。
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3.2 磁力（MFM）显微镜
1982年
扫描隧道 显微镜
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 广阔的应用前景，被国际 科学界公认为八十年代世 界十大科技成就之一。
1.1扫描探针显微镜的产生
扫描隧道显微镜 （STM）
2.2 力-距离曲线
三.扫描力显微镜的分类
3.1 原子力显微镜 3.1.1 斥力模式AFM 3.1.2 摩擦力显微镜 3.1.3 化学力显微镜 3.1.4 检测材料不同组分的技术 a. 相位成像技术 b .力调制技术 3.1.5 检测材料纳米硬度的技术
3.2 磁力显微镜 3.3静电力显微镜
3.1 原子力显微镜ຫໍສະໝຸດ 3.1.1 斥力模式AFM 探针与样品之间进行原子间接触，利用它们
之间的斥力得到样品表面的形貌。 具有两种工作模式：
3.1.1.1 接触模式 3.1.1.2 敲击模式（间歇接触）
3.1.1.1 接触模式(Contact Mode)
接触模式 非接触模式
轻敲模式
接触模式探针
接触模式探针示意图
接触模式工作示意图
Dendrimer-like Gold Nanoparticle[3]
DNA Translocation in Inorganic Nanotubes[4]
Diameter-Dependent Growth Direction of Epitaxial Silicon Nanowires[5]
1.1扫描探针显微镜的产生
1.3 原子力显微镜（AFM）的基本工作原理 z 直径≤15mm
1.3 原子力显微镜（AFM）的基本工作原理
SFM是使用一个一端固定而另一端装有针尖的弹性微悬 臂来检测样品表面形貌或其他表面性质的。当样品或针尖扫 描时，同距离有关的针尖-样品间相互作用力就会引起微悬 臂发生形变。也就是说，微悬臂的形变可以作为样品-针尖 相互作用力的直接度量。
AFM_Tapping_Feedback_Loop.swf
液体下敲击模式
操作同液体下的接触模 式
使用的探针是接触模式 使用的探针
由于探针处在液体中， 而非空气中，探针的共 振频率产生了改变，需 要重新设置
探针容易受到污染
3.1.2 摩擦力显微镜(LFM)
3.1.2 摩擦力显微镜(LFM)
高分辨定量结构分析以及掺杂浓度的分布等各种材料特性
失效分析: 缺陷识别，电性测量（甚至可穿过钝化层）和 键合电极的摩擦特性
生物应用: 液体中完整活细胞成象，细胞膜孔隙率和结构 表征，生物纤维测量，DNA成像和局部弹性测量
硬盘检查: 表面检查和缺陷鉴定，磁畴成象，摩擦力和磨 损方式，读写头表
薄膜表征: 孔隙率分析，覆盖率，附着力，磨损特性，纳 米颗粒和岛屿的分布
是研究纳米摩 擦的工具
受样品表面粗 糙度的影响
受环境湿度温 度等影响
摩擦系数的比较、计算
3.1.3 化学力显微镜
把探针表面进行功能化 修饰，使针尖表面带有 特殊的官能团
这种官能团与样品表面 的官能团成键
在探针抬起的过程中， 这种化学键作用力就会 在力曲线上粘附力中反 应出来
位置的精确控制：通过在电场作用下可以 伸缩的压电陶瓷完成。这种晶体在受到机械 力并发生形变时会产生电场，或给晶体加一 电场会产生物理形变。AFM中常用的是管状 压电陶瓷。
1.3 原子力显微镜（AFM）的基本工作原理
对微悬臂的设计要求
对微悬臂的设计要求： 1. 低的弹性常数，为了测量较小的力 2. 高的力学共振频率，为了得到与STM相当的数据采
原子力显微镜
Atomic Force Microscopy(AFM)
上海交通大学分析测试中心 李慧琴
基本内容
一. 原子力显微镜的产生、基本应用及其基本 工作原理
二 .探针与样品之间的作用力 三. 原子力显微镜的分类（AFM、MFM、Ｅ
ＦＭ、ＣＦＭ等） 四. 原子力显微镜测试结果的影响因素及其应
用展望
3.2 磁力（MFM）显微镜 ——Lift Mode
Lift Mode 适用 于在轻敲模式下
一. 原子力显微镜的产生、基 本应用及其基本工作原理
1.1 扫描探针显微镜的产生的必然性
低能电子衍射 和
X射线衍射
高分辨透射电子 显微镜
光学显微镜 和
扫描电子显微镜
X射线光电子 能谱
场电子显微镜 和
场离子显微镜
样品具有周期性结构
用于薄层样品的体相和界面研究
不足分辨出表面原子
只能提供空间平均的电子结构 信息
的程度得到的，检测微悬臂弯曲的方式有： 1. 隧道电流法：同隧道扫描中使用的方法类似，
2. 电容检测法：微悬臂受力而产生的位移将改变与 之相连的电容极间距离，电容值发生变化，电容 极间还可由一个压电陶瓷驱动器来控制
3. 光学检测法，有光干涉法和激光束反射检 测法。 可以检测出微悬臂0.01nm幅度的弯曲。
集速度和成像带宽。 3. 高的横向刚性，将微悬臂制成V形会提高刚性，为
了减少横向力的影响。 4. 短的悬臂长度，臂长越短，悬臂的弯曲角度就越
大，以提高检测灵敏度 5. 传感器带有镜子或电极，使得能通过光学或隧道电
流检测其动态位移 6. 带有一个尽可能尖锐的针尖
微悬臂弯曲的检测方式
AFM 微悬臂弯曲的检测方式： AFM图像是通过在样品扫描时测量微悬臂受力弯曲
照射到微悬臂背面的激光反射到一个具有四个象限的光电 检测器上，检测器不同象限接收的激光强度差值同微悬臂的 形变量形成一的比例关系。如微悬臂的形变为0.01nm,激光 反射到光电检测器上，则可变成3-10nm 的位移，足够产生 可测量的电压差，反馈系统根据检测器电压的变化不断调整 针尖或样品Z轴方向的位置，以保持针尖-样品间的作用力恒 定。通过测量检测器电压对样品扫描位置的变化，就可得到 样品的表面形貌图像。
只能探测在半径小于100nm的针尖上的原子 结构和二维几何性质，且制样技术复杂
1.1扫描探针显微镜的产生的必然性
纳米科技突飞猛进的发展
Biomolecular Recognition on Vertically Aligned Carbon Nanofibers[1]
ε-Co nanocrystals coated by a monolayer of poly(acrylic acid)-blockpolystyrene [2]
AFM_Contact_Feedback_Loop.swf
接触模式力曲线
接触模式力曲线
各种典型的力曲线
接触模式力的计算
F= k (△ Z ) △ Z =7.6div*10V/div*Z
piezo sensitivity
是探针和样品间范德华 力、静电力、毛细力 等综合力的表现
液体下的接触模式
液体环境下的接触模式
3.1.4 检测材料不同组分的技术
a. 相位成像技术 b. 力调制技术
a.相位（phase)成像技术
探针共振时的振幅和相位图
a.相位（phase)成像技术
用于在轻敲模 式下的相分离 扫描
用于复合材料、 表面污染物等 测试
同时也可得到 比较清晰的轮 廓图
SEBS的分相结构
b. 力调制(force modulation)技术
1.3 原子力显微镜（AFM）的基本工作原理
微悬臂长为100-200 微米
弹性系数0.0041.85N/m
针尖曲率半径30nm 微悬臂0.01nm的形
变，激光束反射到光
△ F=k*△电z接收器上，可变成 △ △z—形3-1变0n量m的位。
△ k—微悬臂的弹性系数
△ F—作用力
1.3 原子力显微镜（AFM）的基本工作原理
4、可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样 品浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术，并且探测过 程对样品无损伤。
应用：适用于研究生物样品和在不同试验条件下对样品表 面的评价，例如对于多相催化机理、超导机制、电化学反应过 程中电极表面变化的监测等。
1.2 扫描探针显微镜的特点及其应用
5、配合扫描隧道谱，可以得到有关表面结构的信息，例如 表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒 的变化和能隙结构等。
第二种原因是它们之间毛细力，相互吸引 使得针尖发生跳触。
2.1 力的分类
4. 黏附力 与样品的表面性质，杂质和缺陷有关
5. 摩擦力 悬臂与表面接触，同时又在表面上横向移动，产生 滑动摩擦。
6. 毛细力 7. 磁力，用以测试磁性材料表面的磁畴。 8. 静电力， 类似于磁力，可以用来测量表面的电荷密
度等。
弹性系数的计算
3.1.1.2 轻敲模式（Taping Mode)
轻敲模式探针示意图
3.1.1.2 轻敲模式（Taping Mode)
3.1.1.2 轻敲模式（Taping Mode)
探针间歇接触样品表 面
适用于柔软样品，如 高分子、生物样品以 及复合材料表面组成 的分布的测试
TappingMode －示意图
1.2 扫描探针显微镜的特点及其应用
2、可实时地空得到实时间中表面的三维图像，可用于具有 周期性或不具备周期性的表面结构研究。
应用：可用于表面扩散等动态过程的研究。
3、可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整 个表面的平均性质。