AFM 原子力显微镜简介
AFM总结
AFM总结AFM（Atomic Force Microscopy，原子力显微镜）是一种高分辨率、非接触式的显微镜技术，用于研究材料表面形貌和性质。
它基于探针与样品表面之间的相互作用力，通过扫描样品表面并记录这些相互作用力的变化，从而实现对样品的显微观察。
原理AFM的工作原理基于一种称为扫描探针的微细尺寸探头。
探针通过微悬臂束附着在针座上，其尖端与样品表面相互作用。
当探针扫描在样品表面上时，探针的尖端会受到样品表面的相互作用力的影响，从而造成悬臂束的微小弯曲。
这种微小的弯曲被传感器检测到，并转化为电信号。
通过记录这些电信号的变化，我们可以确定样品表面的形貌和性质。
由于探针与样品表面之间的相互作用力的极小化，AFM是一种非接触式的显微镜技术，可以避免对样品的损伤。
主要应用AFM在物理学、生物学、化学和材料科学等领域中具有广泛的应用。
表面形貌研究AFM可用于研究材料的表面形貌，包括纳米级和亚纳米级的特征。
通过扫描样品表面并记录探针的位置变化，我们可以生成具有高空间分辨率的表面拓扑图像，进而分析材料的表面结构和形貌特征。
材料力学性质研究AFM还可用于研究材料的力学性质。
通过在AFM探针的尖端引入压力传感器，我们可以测量样品表面的力学响应。
通过在不同位置施加力并记录反馈响应，我们可以获得材料的力学性质，如弹性模量、硬度和粘度等。
生物分子研究AFM在生物学研究中也发挥着重要的作用。
它可以用于观察和测量生物分子，如蛋白质、DNA和细胞等。
通过准确控制扫描速度和力度，AFM可以提供有关生物分子尺寸、形状和相互作用力的信息。
这对于了解生物分子的结构和功能起着至关重要的作用。
纳米加工和纳米制造AFM还可用于纳米加工和纳米制造。
通过利用AFM探针的尖端作为纳米刻蚀工具，我们可以在样品表面上进行定向的纳米加工，并实现纳米级结构和器件的制备。
这种纳米加工技术在纳米电子学、纳米器件和纳米材料的研究与开发中具有重要意义。
优点和局限性AFM具有以下优点：•高空间分辨率：AFM具有亚纳米级别的空间分辨率，可以观察到细微的表面形貌特征。
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简介解读
微纳尺寸的测试表征技术之—AFM简介：AFM全称Atomic Force Microscope，即原子力显微镜，Binnig, Quate and Gerber于1986年发明。
它是继扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope）之后发明的一种高分辨的新型仪器，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；其相对于STM最大的优势是可以测不导电的样品。
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。
原理：AFM是用一种特殊的探针去探测针尖和样品之间的相互作用力，这种作用力即是Van der Waals力（分子间相互作用力）。
当AFM针尖靠近样品表面的时候，针尖和样品表面原子之间的原子力如下图所示：表面施加给针尖的相互作用力会导致悬臂的弯曲悬臂这样微小的变化可以通过光学技术记录下来，这样就可以产生AFM 的形貌图AFM 的分辨率对于AFM ，悬臂变化对针尖和样品之间距离的依赖性比较弱（如下图所示）Z = - F / k这样会导致针尖上的几个原子同时和样品上的几个原子起作用。
因此，AFM 并不能得到原子级的分辨率。
AFM设备扫描探头，回路系统，振动隔离系统，探针，悬臂变化探测系统等AFM探针----悬臂和针尖在AFM中，探针是平行于样品表面放置的，探针由弹性的悬臂，悬臂末端的针尖和一个底座构成。
当针尖和样品之间的相互作用力发生的时候，弯曲就会在悬臂上产生。
AFM悬臂悬臂可以理解成一个具有弹性系数k的弹簧，当力（F）作用在探针上的时候，悬臂上就会发生一个小的偏移（∆z），并遵守胡克定律。
∆Z = - F / kV型的悬臂是最常用的，它对垂直的变化具有较小的力学阻力，但对于横向的变化又有较大的力学阻力。
另一种比较常用的悬臂是直角的。
悬臂一般长100到200μm，宽10到40μm，厚0.3到2μm。
原子力显微镜基础知识解读
原子力显微镜基础知识解读原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种高分辨率的显微镜，可用于研究物质的表面形态、力学性质等。
AFM采用扫描探针从样品表面扫描，利用针尖与样品表面的相互作用力来获得样品表面的形貌信息。
AFM具有高分辨率、非接触测量、可以在常温常压下进行实验等优点，因此被广泛应用于物理、化学、材料等多个领域的研究。
AFM工作原理AFM探头在扫描样品表面的过程中，通过针尖与样品表面的相互作用力（包括原子间力、化学键力、范德华力、弹性力等）来感知样品表面形态信息。
AFM采用的采样频率一般在几十赫兹到几百赫兹之间，探测范围在纳米到微米之间，精度可达纳米级别。
AFM探测原理大体可以分为力-位移探测和干涉仪探测两种方式。
力-位移探测是利用弹性探针尖部与样品表面间的相互作用力来感知样品表面形态信息。
探针在扫描样品表面时，探针尖部的位置发生微小变化，这种变化可以通过晶体谐振试验测量得到。
干涉仪探测则是采用光学干涉原理，通过探针尖部的振动干涉信号来获得样品表面形态的信息。
AFM应用领域AFM在各个领域有着广泛的应用。
在表面形态方面，AFM可以获得样品表面形貌、粗糙度、角度等信息。
在生物领域，AFM 可以用于测量蛋白质、DNA、细胞等的力学性质，如弹性模量、形变硬度等。
在材料科学领域，AFM可以用于材料表面物理性质的研究，如表面润湿性、磁性、电学性质等。
在纳米科技领域，AFM可以用于制备纳米结构及其表面形态研究等。
使用AFM时需要注意的事项在使用AFM时需注意：1、准备好样品。
样品应具备光洁度、平整度等要求，要排除可能引起探针损坏或测量误差的因素。
2、确定扫描范围。
根据需要获得的样品表面信息，确定扫描范围及分辨率。
3、选择适量的力度。
根据样品类型及探针硬度等因素，选择适量的力度。
4、检测探针。
检测探针的质量及硬度等特性。
5、设置参数。
根据采样方式、探租类型及大小等，设置相应的参数。
化学物质的原子力显微镜
化学物质的原子力显微镜原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种能够获得材料表面拓扑结构信息的先进纳米分析仪器。
利用其高分辨率的成像能力，我们可以观察和研究化学物质的微观结构和性质。
本文将介绍原子力显微镜的工作原理、应用领域以及未来的发展趋势。
一、工作原理原子力显微镜是一种基于在原子尺度上感知力的技术。
其工作原理可以简单概括为通过探针与样品表面之间的相互作用来获取样品表面形貌信息。
其关键部件是一个高精度的微悬臂，类似一个弹簧，其尖端装配有一个纳米级的探针。
当探针靠近样品表面时，通过悬臂的微弯变化，可以感知到与样品表面的相互作用力。
通过记录探针与样品的相对位置变化，就可以重构出样品的表面形貌。
二、应用领域1. 材料科学研究：原子力显微镜可以帮助我们观察材料的晶格结构、表面形貌和纳米尺度下的力学性质。
这对于材料研究和新材料的开发具有重要意义。
2. 纳米电子学：原子力显微镜可以在纳米尺度上探测和调控器件的结构和性能。
这对于纳米电子器件的设计和制备具有重要的参考价值。
3. 生物医学领域：原子力显微镜可用于研究生物材料的表面形貌、细胞力学性质和蛋白质折叠状态。
这对于生物医学研究、药物开发和疾病诊断具有重要作用。
三、未来发展趋势1. 高速成像：目前，原子力显微镜的成像速度相对较慢，通常需要几分钟到几小时来获得一张高质量的成像图像。
未来的发展方向是提高成像速度，实现快速、实时的成像。
2. 多模式集成：当前的原子力显微镜通常只能提供一种成像模式，如接触模式或非接触模式。
未来的发展方向是实现多模式集成，使得同一台仪器能够提供多种不同的成像模式。
3. 原位测量：原子力显微镜通常是在大气环境下进行成像，而在许多应用领域，如材料科学和生物医学，所研究的样品往往需要在真空、高温或湿润等特殊环境下进行测量。
未来的发展方向是实现原位测量，使得原子力显微镜能够适应更多的实际应用需求。
结语原子力显微镜作为一种强大的纳米级成像工具，已经在许多领域展现出巨大的潜力。
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。
原子力显微镜介绍
几种检测方法比较
分辨率 优缺点
隧道电流法
Z向0.01nm
电容法
光学干涉法 光束偏转法
Z向0.01nm
z向0.001nm z向0.003nm
当微悬臂上产生隧道电流的部 位被污染时，其性能将下降， 因此该法适用于高真空检测 抗噪音水平低
灵敏度和信噪比都高，设备复 杂 原理和技术简单，精度也较高， 适用范围广
Typical system & constitution
Advantage
AFM优点
AFM能提供生物分子和生物表面的分子／亚分子 高分辨率的三维图像。 AFM 技术的样品制备简单，甚至无需处理，对样 品破坏性较其他常用技术要小得多。 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 AFM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。
Typical system & constitution
对微悬臂的要求
Typical system & constitution
对针尖性能的要求
1. 理想针尖的顶端应该是单个原子，这样的针尖 能够灵敏地感应出它与样品表面之间的相互作用 力。 2. 尽可能小的曲率半径。（50~100nm） 3. 高的机械柔软性，针尖扫描时，即使撞击到样 品的表面也不会使针尖损坏。 4. 高的弹性形变，可有效地限制针尖在样品表面 上的作用力，从而减小对样品的损害，对柔软 的生物样品特别有利。 5. 稳定的结构。
原子力显微镜（AFM）简介
袁英杰 2014.4.16
主要内容
1、背景 2、原理 3、典型系统及构造 4、优点 5、缺点 6、相关应用 7、发展
background
扫描隧道显微镜（STM）
原子力显微镜
原子力显微镜原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种高分辨率的显微镜技术，通过探针与样品表面的相互作用，可以获取纳米级的表面形貌和力学性质信息。
本文将介绍原子力显微镜的原理、应用以及未来的发展前景。
一、原理原子力显微镜的工作原理基于触针与样品表面的相互作用力，通过探测器对这种相互作用力进行检测和测量。
主要包括力探头、支撑结构、扫描部件、力传感器等多个部分。
当力探头接近样品表面时，表面原子与力探头上的原子之间会发生排斥或吸引的作用力，力探头被弯曲，力的大小和方向与样品表面的形貌和力学性质有关，通过探测器的测量，可以得到样品表面精细的拓扑信息。
二、应用领域原子力显微镜在材料科学、生物科学、纳米技术等领域有着广泛的应用。
1. 材料科学原子力显微镜可以用于材料的表面结构和形貌研究。
通过观察样品表面的凹凸不平、纳米级的颗粒分布等可以得到材料的表面形貌信息。
同时，还可以通过测量样品表面的硬度和弹性模量来评估材料的力学性质。
2. 生物科学生物领域中，原子力显微镜可以用于观察和研究生物分子的结构和相互作用。
通过将生物样品固定在一个稳定的平台上，可以观察到生物分子的三维结构，从而研究其功能和性质。
此外，原子力显微镜还可以用于细胞力学性质的研究，例如细胞的刚度、粘附性等。
3. 纳米技术在纳米技术领域，原子力显微镜扮演着重要的角色。
可以利用原子力显微镜来观察纳米颗粒的形貌、尺寸和分布，对纳米结构进行表征和分析。
此外，原子力显微镜还可以用于纳米加工、纳米操纵等方面的研究。
三、未来发展前景原子力显微镜作为一种重要的纳米级表征工具，其发展前景非常广阔。
1. 提高分辨率随着技术的不断发展，原子力显微镜的分辨率得到了大幅度的提高。
未来，我们可以预期原子力显微镜的分辨率将越来越高，可以观察到更加微小的结构和表面特征。
2. 多种模式的结合目前已经存在多种不同的原子力显微镜工作模式，例如接触模式、非接触模式、谐振模式等。
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
原子力显微镜简介
蝴蝶翅膀的AFM成像
云母片上的抗体分子的 AFM成像
生物样品
λ -DNA
霍乱菌
遭疟疾感染的人体红血球和蓝藻
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
3、检测系统
获得样品表面形貌是通过检测微悬臂位 置的变化而实现的。检测微悬臂位置变化的 主要方法有：
激光反射检测法 隧道电流检射检测法 激光器发出的激光束经过 光学系统聚焦在微悬臂背 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。 在扫描样品时，随着样品 表面的原子与微悬臂探针 尖端的原子间的作用力的 变化，微悬臂将随样品表 面形貌变化而上下起伏， 反射光束也将随之偏移， 将光斑位置转化为电信号 后，再经计算机处理就能 反映出样品表面的形貌。
AFM相关的显微镜及技术
AFM能被广泛应用的一个重要原因是它具有开放性。 在AFM基本操作系统基础上，通过改变探针、成 像模式或针尖与样品间的作用力就可以测量样品的 多种性质．下面是一些与AFM相关的显微镜和技术：
1.侧向力显微镜(LFM) 2.磁力显微镜(MFM) 3.静电力显微镜(EFM) 4.化学力显微镜(CFM) 5.相检测显微镜(PHD) 6.纳米压痕技术(nanoindentation) 7.纳米加工技术(nanolithography)
Bruker 原子力显微镜（Dimension Icon AFM）
AFM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，成为各种纳米 相关学科研究的基本工具。
AFM的基本原理
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 的范德华力作 用来呈现样品 的表面特性。
牛津仪器原子力显微镜中文说明书
牛津仪器原子力显微镜中文说明书第一章：概述牛津仪器原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种高分辨率的显微镜，它利用原子力和距离探测技术，能够对样品表面进行高精度的成像和测量。
AFM不同于传统的光学显微镜，它可以在纳米尺度下观察和研究样品的表面形貌和物理性质。
第二章：原理AFM的工作原理基于原子力相互作用和力探测技术。
通过将探针靠近样品表面，并测量探针与样品之间的相互作用力，可以得到样品表面的拓扑图像。
AFM的探测器通常采用悬臂梁或压电晶体，通过探针的弯曲或振动来检测相互作用力的变化。
第三章：仪器结构AFM主要由扫描单元、探针、力传感器、控制电路和图像处理系统等组成。
扫描单元负责探针在样品表面的扫描运动，探针则负责与样品表面相互作用。
力传感器用于测量探针与样品之间的相互作用力，控制电路则负责对传感器信号进行处理和控制。
图像处理系统用于将探测到的信号转化为样品表面的图像。
第四章：操作流程使用AFM时，首先需要将样品固定在扫描平台上，并调整扫描范围和扫描速度。
接下来，调节探针使其与样品表面接触，并通过力传感器调整扫描力。
随后，启动扫描单元，开始对样品表面进行扫描。
扫描完成后，通过图像处理系统可以获得样品表面的拓扑图像。
第五章：应用领域AFM广泛应用于纳米科学、材料科学、生物科学等领域。
在纳米科学中，AFM可以用于研究纳米材料的形貌和性质，如纳米颗粒、纳米管等。
在材料科学中，AFM可以用于表征材料的表面粗糙度、硬度等参数。
在生物科学中，AFM可以用于观察生物分子的结构和相互作用。
第六章：技术发展趋势随着纳米科学和纳米技术的发展，AFM也在不断演进和改进。
目前，已经出现了多种改进型AFM，如近场原子力显微镜（SNOM）和电势原子力显微镜（EFM）。
这些改进型AFM在分辨率、成像速度和功能方面都有所提升，进一步拓宽了AFM的应用范围。
结论牛津仪器原子力显微镜是一种高分辨率的显微镜，通过原子力相互作用和距离探测技术，可以对样品表面进行高精度的成像和测量。
AFM_原子力显微镜简介
江洋洋 李会霞 2016.04.01
目录
1.工作原理 2.AFM应用 3.生物涂层材料 4.AFM在生物涂 层材料中的应用
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1.工作原理
※ 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作 用来呈现样品的表面特性。
★ 假设两个原子，一个是在探针尖端，另一 个是在样本表面，随着他们之间的距离发生变 化，他们间的作用力也随之改变。院子里显微 镜就是利用这种原子间距离合作用力的对应关 系来把样品表面的原子形貌呈现出来。
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 子与样品表面原子存在的范德华力，使微悬 臂产生微小弯曲。 检测悬臂弯曲所造成的微小的位移量，得 到样品表面信息
Ti+HA双涂层钛合金生物固定型人工髋关节
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4.AFM在生物陶瓷涂层中的应用—表面结构测试
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Sa(平均高度）、Ssk、 Sdq是衡量表面形貌和骨 结合性之间联系的三个 重要因数。 Sdq值越高，表明骨界面 残余应力大，而且骨结 合性好
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4.AFM在生物涂层材料中的应用—抗菌性过程研究
Adhesion and Viability Assay of Cells on the SS-TiO2-g-QP(4VP) Coupons
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谢谢！
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2.AFM应用
观测样品表面形貌 观测生物样品 纳米加工
云母的原子像
霍乱菌
IBM文字
DVD光盘表面
λ-DNA
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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。
什么是原子力显微镜
什么是原子力显微镜
原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种用于研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的高级分析仪器。
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。
原子力显微镜主要由两部分组成：微悬臂和反馈系统。
微悬臂是一对微弱力极端敏感的细小臂，一端固定，另一端的微小针尖接近样品表面。
当针尖与样品相互作用时，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。
反馈系统则负责实时监测微悬臂的变化，并通过调整针尖与样品之间的距离或改变针尖的形状来保持微悬臂的稳定。
在原子力显微镜中，扫描样品时，利用传感器检测微悬臂的变化，就可获得作用力分布信息。
这些信息可以以纳米级分辨率获得表面形貌结构信息及表面粗糙度信息。
由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不足。
以上信息仅供参考，如有需要，建议查阅相关网站。
原子力显微镜单分子力谱
原子力显微镜单分子力谱
原子力显微镜（AFM）是一种高分辨率的显微镜，它可以用来观
察物质表面的原子级别的结构。
AFM的工作原理是利用微小的力传
感器来测量样品表面的力，从而生成高分辨率的图像。
单分子力谱
是利用AFM技术来研究单个分子的力学性质和力学行为的一种方法。
在单分子力谱实验中，AFM的探针被用来施加力于单个分子，
并测量分子的力学响应。
通过在不同位置施加力并测量分子的反应，可以获得关于分子力学性质的详细信息。
这种技术对于研究生物分
子（如蛋白质和DNA）的力学性质以及纳米材料的力学性质具有重
要意义。
单分子力谱可以提供关于分子之间相互作用、弹性性质和断裂
强度的信息。
通过在不同条件下进行实验，比如在不同的溶液中或
者在不同的温度下，可以揭示分子的力学性质如何受到外界环境的
影响。
除了研究基本的力学性质，单分子力谱还可以用于研究药物的
设计和生物医学应用。
通过测量药物分子与靶标分子之间的相互作
用力，可以帮助科学家设计更有效的药物分子。
此外，对细胞和蛋
白质的力学性质的研究也有助于理解生物学过程和疾病的发生机制。
总的来说，原子力显微镜单分子力谱技术在材料科学、生物医
学和纳米技术领域具有广泛的应用前景，可以帮助科学家深入了解
分子和纳米结构的力学性质，为新材料的设计和生物医学研究提供
重要的信息。
AFM简介
的用车过程中，大多数情况发动机的功率使用均低于 25%，比如车辆在高速公路开行时， 仅需要 40 马力（30 千瓦）的功率输出便可以满足车辆前进动力需求，以及必要的附件运转， 比如空调开启。 当汽油发动机运转在低负载条件下，发动机的有效压缩比远小于标定的 压缩比值，节气门处于不完全打开状态，发动机在每一个进气冲程中的进气量也远小于满负 荷的最大进气量，因此，燃烧室里面混合气体燃烧产生的压力和温度也远小于满负荷状态， 根据热力学定律，发动机的热效率转换也远小于其可达的最大热效率值，即是发动机燃烧热 能转化为运转机械能的效率不高。 因此，在大部分的日常车辆使用过程中，高功率，大 排量的发动机配备实际上并没有被发挥到极致，反而在一定程度上造成了浪费，并增加了额 外的燃油消耗。 主动燃油管理（active fuel management）技术就是针对这种情况而产生的， 它可以根据发动机的运转工况要求，智能的控制发动机运转，在低负荷时，关闭部分气缸， 以减少燃油消耗，提高热转化效率，在高负荷时，开启全部气缸，又能使功率输出满足驾乘 需求。 编辑本段 工作原理
主动燃油管理（active fuel management）技术是通过电磁阀来控制液压气门挺杆的油路供给， 通过调整选定气缸气门挺杆的机油压力，使得部分气缸气门保持关闭，这些气缸将会停止进 气或排气，被选定的气缸将不参与发动机功率输出，从而达到提高燃油经济性的目的。 为 了达到关闭气缸的效果，当发动机燃烧作功冲程完成后，排气门将被电磁阀控制而保持关闭， 当发动机排气冲程时，废气将在气缸内保留并被压缩，当发动机进入进气冲程时，进气门也 被电磁阀控制而保持关闭，使得气缸不能进气，这样保留在气缸之中的废气将会在发动机各 冲程中不断被压缩和膨胀，类同于气弹簧。根据发动机气缸分布，那么一次会有多个气缸被 同时关闭（例如 V8 发动机 1，4，6 和 7 缸），当其中两缸废气处于被压缩状态时，另外两 缸废气将会处于被膨胀状态，这样的平衡使得这些气缸的关闭并不会对发动机造成额外的负 担，不会影响发动机的正常运转。当发动机工况改变，需要更大的功率输出时，那么被关闭 气缸的排气门将会在排气冲程中打开，废气将会被排出，发动机进入全缸正常工作状态，为 车辆带来更大的动力。 编辑本段 技术意义
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。
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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5.辅助图像
• 在不同模式下进行扫描时，通过记录其他的信号成 像，可以得到形貌图的辅助图像，例如接触模式下 的偏移图（错位信号图）和振幅图，以及轻敲模式 下的相图。
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。
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AFM 原子力显微镜简介
讲解人：
Content
•1 •2 •3 •4
AFM探针扫描动图
AFM原理：针尖与表面原子相互作用
接触模式
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
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 非接触模式 • 针尖距样品表面5nm—20nm • 不损伤样品表面，可测试表面柔软样品 • 分辨率低 • 误判的现象
非接触模式
接触模式
4.成像模式
4.3 轻敲模式 • 探针在Z轴维持固定频率振动，当振
精确测量样品的尺寸参数精确测量 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
存在的范德华力，使微悬臂产生微小弯曲。 • 检测悬臂弯曲所造成的微小的位移量，得到样品表面信息
2.工作原理
• 隧道电流法：当两侧金属靠近到很小间距时， 两侧金属表面电子云互相重叠产生隧道电流， 电流大小与两侧金属距离有关。灵敏度高,易被 污染
• 光学法 常用
3.仪器介绍
3.仪器介绍
4.成像模式
操作模式
• 接触模式 • 非接触模式 • 轻敲模式
4.成像模式
4.1 接触模式 • 针尖与样品表面距离小，利用原
• 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。
谢谢观看
end
பைடு நூலகம்.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，通过记 录高频振动的针尖在接 触样品表面后，振动相 位的变化（滞后）程度 而成像。
6.AFM应用
• 观测样品表面形貌
云母的原子像（接触模式）
DVD光盘表面（接触模式）
6.AFM应用
• 观测样品表面形貌
PE膜，左图为高度图，右图为相图
6.AFM应用
• 观测样品表面形貌
高分子的片晶和球晶结构
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
插入内容图片
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。