AFM-原子力显微镜课件
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原子力显微镜原理及操作流程讲义(PPT 42页)
4.1 激光系统
激光器是光反馈通路的信号源。由于 悬臂尖端的空间有限性，就对照射器上的光 束宽度提出了一定要求：足够细、单色性好、 发散程度弱；同时也要求光源的稳定性高， 可持续运行时间久，工作寿命长。 而激光正 是能够很好地满足上述条件的光源。
4.2 微悬臂系统
微悬臂是探测样品的直接工具，它的属 性直接关系到仪器的精度和使用范围。 微悬 臂必须有足够高的力反应能力，这就要求悬 臂必须容易弯曲，也易于复位，具有合适的 弹性系数，使得零点几个纳(nN)甚至更小的 力的变化都可以被探测到；同时也要求悬臂 有足够高的时间分辨能力，因而要求悬臂的 共振频率应该足够高，可以追随表面高低起 伏的变化。
5.4三种模式的比较
1、接触模式（Contact Mode）： 优点：扫描速度快，是唯一能够获得“原子分
辨率”图像的AFM垂直方向上有明显变化的质硬样 品，有时更适于用Contact Mode扫描成像。
缺点：横向力影响图像质量在空气中，因为样 品表面吸附液层的毛细作用使针尖与样品之间的粘 着力很大，横向力与粘着力的合力导致图像空间分 辨率降低，而且针尖挂擦样品会损坏软质样品（如 生物样品，聚合体等）。
2.AFM简介
原子力显微镜（Atomic Force Microscope ， AFM），是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体 材料表面结构的分析仪器。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。将一对微 弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针 尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使 得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品 时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分 布信息，从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。
原子力显微镜课件PPT
物理吸附
亲水
疏水
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2. 毛细力及其对AFM测量的影响
Fa2Rh/r
在R = 50～100 nm，相对湿度在40～80％ 时，毛细力大约在几十nN数量级。
3. 液体中针尖－试件间的相互作用力
探针和试件都浸入液体内进行测量 时，可以完全消除毛细现象，因此可不受 毛细力的干扰，使测量时的作用力大大减 小，而且可以：
z
1
ki kc
h
故在恒力测量模式时，测出的试件廓形高低, 大于 真实的高低，即测量结果在垂直方向有放大作用， 造成测量廓形的误差
3)在AFM测量时, 针尖的预置力越大，纵向测量结果的放大作用也越大，即纵 向畸变也增大。为减小测量误差，应尽量采用小的针尖预置力。
4) AFM测量结果的纵向放大量（畸变）和微悬臂的刚度有关。在采用等间隙 测量模式时，从式中可看，采用刚度kc较低的微悬臂较为有利，可以减小纵 向测量误差。但如采用恒力测量模式时，为减小纵向测量误差, 应采用刚度较 高的微悬臂，这和采用等间隙测量模式时正好相矛盾。因此可知，微悬臂刚 度的选择和AFM的测量模式有关。
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3. 探针尖曲率半径对测量结果的影响
使 用 商 品 的 Si3N4 四 棱 锥 探 针 尖 检 测所获得的聚酰亚胺薄膜AFM图像
使用ZnO晶须作探针尖检测，所获 的聚酰亚胺薄膜AFM图像
3）AFM测量时利用的相互作用力 在接触测量时，检测的是它们间的相互排斥力； 在非接触测量时，检测的是它们间的相互吸引力
4）针尖－试件间其他作用力及其应用于各种扫描力显微镜
针尖－试件间相互作用的磁力，可制成检测材料磁性能的磁力显微镜(MFM)； 针尖－试件间相互作用的静电力，可制成检测材料表面电场电势的静电力显微镜 (EFM)； 探针－试件接触滑行时的摩擦力，可制成研究材料摩擦磨损行为的摩擦力显微镜 (FFM)；
扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术ppt课件
Atomic force microscopy (AFM)
Lateral Force Microscopy (LFM)
Magnetic Force Microscopy (MFM)
Electrostatic Force Microscopy (EFM)
Chemical Force Microscopy (C学检测部分 反馈电子系统 计算机控制系统
10
工作模式
接触模式 (contact mode) 非接触模式 (non-contact mode) 轻敲模式 (tapping / intermittent contact mode)
van der Waals force curve
Near Field Scanning Optical Microscopy
(NSOM)
3
基本原理
1986，IBM，葛·宾尼（G. Binnig）发明了原子力 显微镜(Atomic Force Microscope ,AFM)——新一代 表面观测仪器．
原理：利用原子之间的范德华力（Van Der Waals
52
原子力显微镜 Atomic Force Microscopy
1
主要内容
发展历史 基本原理 应用
2
扫描探针显微镜SPM
SPM是指在STM基础上发展起来的一大类显微镜， 通过探测极小探针与表面之间的物理作用量如光、 电、磁、力等的大小而获得表面信息。
scanning tunneling Microscopy (STM， 1982)
11
工作模式-接触模式
d ＜０.０３nm
van der Waals force curve
针尖始终向样品接触并简单地在表面上移动，针 尖—样品间的相互作用力是互相接触原于的电子间 存在的库仑排斥力，其大小通常为10－8 —10－11N。
Lateral Force Microscopy (LFM)
Magnetic Force Microscopy (MFM)
Electrostatic Force Microscopy (EFM)
Chemical Force Microscopy (C学检测部分 反馈电子系统 计算机控制系统
10
工作模式
接触模式 (contact mode) 非接触模式 (non-contact mode) 轻敲模式 (tapping / intermittent contact mode)
van der Waals force curve
Near Field Scanning Optical Microscopy
(NSOM)
3
基本原理
1986，IBM，葛·宾尼（G. Binnig）发明了原子力 显微镜(Atomic Force Microscope ,AFM)——新一代 表面观测仪器．
原理：利用原子之间的范德华力（Van Der Waals
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原子力显微镜 Atomic Force Microscopy
1
主要内容
发展历史 基本原理 应用
2
扫描探针显微镜SPM
SPM是指在STM基础上发展起来的一大类显微镜， 通过探测极小探针与表面之间的物理作用量如光、 电、磁、力等的大小而获得表面信息。
scanning tunneling Microscopy (STM， 1982)
11
工作模式-接触模式
d ＜０.０３nm
van der Waals force curve
针尖始终向样品接触并简单地在表面上移动，针 尖—样品间的相互作用力是互相接触原于的电子间 存在的库仑排斥力，其大小通常为10－8 —10－11N。
扫描隧道显微镜和原子力显微镜课件 STM与AFM
STM存在的问题
在Vb 和I保持不变的扫描过程中，如果功函数随样 品表面位置而异，也同样会引起探针与样品表面间距 S 的 变 化 ， 因 而 也 引 起 控 制 针 尖 高 度 的 电 压 Vz 的变 化。如样品表面原子种类不同，或样品表面吸附有原 子、分子时，由于不同种类的原子或分子团等具有不 同的电子态密度和功函数，此时STM给出的等电子态 密度轮廓不再对应于样品表面原子的起伏，而是表面 原子起伏与不同原子和各自态密度组合后的综合效 果。STM不能区分这两个因素。 利用表面功函数，偏置电压与隧道电流之间的关 系，可以得到表面电子态和化学特性的有关信息。
Potential barrier
0 V ( x) V0
for | x | d/2 for | x | d/2
Schroedinger’s equation of motion
d 2u ( x ) 2m 2 V0 E u ( x ) 0 2 dx
Electron (mass m, energy E) has finite probability of ‘tunneling’ through
原理
量子力学：
认为金属中的自由电子还具有波动性，这种 电子波φ1 向金属边界传播，在遇到表面位垒 时，部分反射为φR ，部分透过为φT 。这样， 即使金属温度不是很高，仍有部分电子穿透金 属表面位垒，形成金属表面上的电子云。这种 效应称为隧道效应。
Theory I: Quantum Barrier
P ( E ) e 2 kd
k 2 m (V0 E ) / 2
Theory II: Tunneling Current
insulator
metal 1
AFM-原子力显微镜PPT课件
1.只限于直接观测导体或半导体的表面结构； 2.非导电材料须在其表面覆盖一层导电膜； 3.当表面存在非单一电子态时，STM得到的是表
面形貌和表面电子性质的综合结果。
6
7
AFM发展概况
• 1981年，Binnig G和Rohrer提出扫描隧道显微镜 (STM)原理．并因此而获得1986年诺贝尔物理奖。 STM的分辨能力达原子级，可以用来确定导电物 质固体表面的原子结构和性质。
10
11
AFM的组成
12
13
AFM成像原理
原子力显微镜是一种通过研究样品表
面力同距离关系而获得样品表面形貌信 息的显微术。它不使用STM的金属探针， 而使用一个尖端附有探针的极灵敏的弹 簧壁来作为敏感元件，称之为微悬臂。
将微悬臂的一端固定（对微弱力极敏
感），另一端有一微小的针尖，针尖与 样品表面轻轻接触。针尖尖端原子与样 品表面的原子间存在极其微弱的排斥力。 随后可通过以下两种工作模式中的任何 一种得到表面形貌有关的信息，然后经 过计算机采集、处理，最后成像。
为了准确反应出针尖相对于样品表面微弱的力的变化， Cantilever和针尖的制备是十分关键的，是决定AFM灵 敏 度 的 核 心 ， 因 此 AFM 仪 器 的 发 展 过 程 实 际 上 是 Cantilever的不断改进的过程。
Cantilever通常要满足以下条件：（1）较低的力的弹 性系数；（2）高的力学共振频率；（3）高的横向刚性； （4）尽可能短的悬臂长度；（5）Cantilever需要配有 镜面或者电极，使得能通过光学或者隧道电流方法检测其 动态位移；（6）带有一个尽可能尖锐的针尖。
32
33
34
35
36
37
➢ 可实时地观测表面的三维立体图像，这种实时观测的性能 可用于表面扩散等物理化学过程的监视、检测。
面形貌和表面电子性质的综合结果。
6
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AFM发展概况
• 1981年，Binnig G和Rohrer提出扫描隧道显微镜 (STM)原理．并因此而获得1986年诺贝尔物理奖。 STM的分辨能力达原子级，可以用来确定导电物 质固体表面的原子结构和性质。
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AFM的组成
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AFM成像原理
原子力显微镜是一种通过研究样品表
面力同距离关系而获得样品表面形貌信 息的显微术。它不使用STM的金属探针， 而使用一个尖端附有探针的极灵敏的弹 簧壁来作为敏感元件，称之为微悬臂。
将微悬臂的一端固定（对微弱力极敏
感），另一端有一微小的针尖，针尖与 样品表面轻轻接触。针尖尖端原子与样 品表面的原子间存在极其微弱的排斥力。 随后可通过以下两种工作模式中的任何 一种得到表面形貌有关的信息，然后经 过计算机采集、处理，最后成像。
为了准确反应出针尖相对于样品表面微弱的力的变化， Cantilever和针尖的制备是十分关键的，是决定AFM灵 敏 度 的 核 心 ， 因 此 AFM 仪 器 的 发 展 过 程 实 际 上 是 Cantilever的不断改进的过程。
Cantilever通常要满足以下条件：（1）较低的力的弹 性系数；（2）高的力学共振频率；（3）高的横向刚性； （4）尽可能短的悬臂长度；（5）Cantilever需要配有 镜面或者电极，使得能通过光学或者隧道电流方法检测其 动态位移；（6）带有一个尽可能尖锐的针尖。
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➢ 可实时地观测表面的三维立体图像，这种实时观测的性能 可用于表面扩散等物理化学过程的监视、检测。
原子力显微镜简介PPT课件
引起该相移的因素很多，如样品的组分、 硬度、粘弹性质等。因此可在纳米尺度上获 得样品表面局域性质的丰富信息。
2021
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AFM的工作环境
原子力显微镜受工作环境限制较少，它可以在超高真空、 气相、液相和电化学的环境下操作。 (1)真空环境：真空环境可以避免大气中杂质和水膜的干扰，但其 操作较复杂。最早的扫描隧道显微镜(STM)研究是在超高真空 下进行操作的。后来，随着AFM的出现，人们开始使用真空 AFM研究固体表面。 (2)气相环境：气相环境中，AFM多受样品表面水膜干扰，但其操 作比较容易，它是广泛采用的一种工作环境。它可以在空气中 研究任何固体表面，不受样品导电性的限制。 (3)液相环境：液相环境中，AFM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可以在液相 中研究样品的形貌，其应用十分广阔，可用于生物体系、腐蚀 或液固界面的研究。 (4)电化学环境：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。
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云母的原子像（接触模式）
DVD光盘表面（接触模式）
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18
蝴蝶翅膀的AFM成像
云母片上的抗体分子的 AFM成像
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生物样品
λ-DNA
霍乱菌
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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
STM针尖移动原子形成的图形文字
原子力显微镜ppt课件
1986年，徳裔物理学家G.Binnig等人原子力显微镜进行了改良，开 始使用微悬臂梁作为探针。
1988年，国外开始对原子力显微镜进行改进，激光检测原子力显微镜。 1989年，白春礼等人研制出了我国第一台原子力显微镜，并跻身于国
际先进行列。
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
原子力显微镜在研究分子识别中的应用
分子间的相互作用在生物学领域中相当普遍， 例如，受体和配体的结合，抗原和抗体的结合， 信息传递分子间的结合等，是生物体中信息传递 的基础。
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
扫描隧道显微镜、原子力显微镜
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
原子力显微镜的构成
1988年，国外开始对原子力显微镜进行改进，激光检测原子力显微镜。 1989年，白春礼等人研制出了我国第一台原子力显微镜，并跻身于国
际先进行列。
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
原子力显微镜在研究分子识别中的应用
分子间的相互作用在生物学领域中相当普遍， 例如，受体和配体的结合，抗原和抗体的结合， 信息传递分子间的结合等，是生物体中信息传递 的基础。
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
扫描隧道显微镜、原子力显微镜
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
原子力显微镜的构成
AFM-原子力显微镜
两种工作模式：恒高模式（保持样品与探针间的距离不变， 测量每一点作用力的大小）和恒力模式（保持样品和探针间作 用力不变，测量每一点高度的变. 化）。
• 检测微悬臂弯曲的方法：1－隧道电流法； 2－电容检测法；3－光学检测法（干涉法 和光束反射法）
• 选择检测方法的原则：检测方法本身对悬 臂产生的作用力应该小到可以忽略的程度。
表面的高分辨率图象； 3.使用环境宽松； 4.应用领域宽广； 5.价格相对来讲较低。
.
STM的缺陷
1.只限于直接观测导体或半导体的表面结构； 2.非导电材料须在其表面覆盖一层导电膜； 3.当表面存在非单一电子态时，STM得到的是表
面形貌和表面电子性质的综合结果。
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AFM发展概况
• 1981年，Binnig G和Rohrer提出扫描隧道显微镜 (STM)原理．并因此而获得1986年诺贝尔物理奖。 STM的分辨能力达原子级，可以用来确定导电物 质固体表面的原子结构和性质。
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AFM的优缺点
原子级的高分辨率； 宽松的测试条件； 可以得到力学等众多信息。
➢ AFM观察的始终是样品的外部信息； ➢ 样品固定； ➢ 视野局限；
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AFM的应用
✓AFM成像（形貌观察） ✓力学性能测试 ✓电、磁性能测试 ✓加工、操纵
.
云母表面结构AFM成像
.
石墨表面结构AFM成像
AFM像中，A和B位置是近乎等同的 .
原子力显微镜 Atomic Force Microscope (AFM)
.
透射电镜成像偏差原因
球差：孔径角不同造成折射能力不同 畸变：离轴距离的改变导致放大倍数的改变 慧形差：旁轴射线与非旁轴射线成像 场曲：磁场汇聚作用的差异 色差：电子初速度不完全相同 轴上色散：磁透镜非严格对称 衍射差：类似光学显微镜由透镜导致的
• 检测微悬臂弯曲的方法：1－隧道电流法； 2－电容检测法；3－光学检测法（干涉法 和光束反射法）
• 选择检测方法的原则：检测方法本身对悬 臂产生的作用力应该小到可以忽略的程度。
表面的高分辨率图象； 3.使用环境宽松； 4.应用领域宽广； 5.价格相对来讲较低。
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STM的缺陷
1.只限于直接观测导体或半导体的表面结构； 2.非导电材料须在其表面覆盖一层导电膜； 3.当表面存在非单一电子态时，STM得到的是表
面形貌和表面电子性质的综合结果。
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AFM发展概况
• 1981年，Binnig G和Rohrer提出扫描隧道显微镜 (STM)原理．并因此而获得1986年诺贝尔物理奖。 STM的分辨能力达原子级，可以用来确定导电物 质固体表面的原子结构和性质。
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AFM的优缺点
原子级的高分辨率； 宽松的测试条件； 可以得到力学等众多信息。
➢ AFM观察的始终是样品的外部信息； ➢ 样品固定； ➢ 视野局限；
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AFM的应用
✓AFM成像（形貌观察） ✓力学性能测试 ✓电、磁性能测试 ✓加工、操纵
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云母表面结构AFM成像
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石墨表面结构AFM成像
AFM像中，A和B位置是近乎等同的 .
原子力显微镜 Atomic Force Microscope (AFM)
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透射电镜成像偏差原因
球差：孔径角不同造成折射能力不同 畸变：离轴距离的改变导致放大倍数的改变 慧形差：旁轴射线与非旁轴射线成像 场曲：磁场汇聚作用的差异 色差：电子初速度不完全相同 轴上色散：磁透镜非严格对称 衍射差：类似光学显微镜由透镜导致的
原子力显微镜AFM精品PPT课件
➢ 两种测量模式
（1）等高测量模式： 探针以不变高度在试件表面扫描，隧 道电流随试件表面起伏而变化，从而 得到试件表面形貌信息。
（2）恒电流测量模式：
探针在试件表面扫描，使用反馈电 路驱动探针，使探针与试件表面之 间距离（隧道间隙）不变。此时探 针移动直接描绘了试件表面形貌。 此种测量模式隧道电流对隧道间隙 的敏感性转移到反馈电路驱动电压 与位移之间的关系上，避免了非线 性，提高了测量精度和测量范围。
F pair 排斥部分
d 吸引部分
原子 原子
原子 排斥力
原子
吸引力
原子间的作用力
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AFM实物照片
扫描探针 磁盘图像
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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。
发展历史 工作原理
应
用
基本原理 仪器构成 工作模式
8
扫描隧道显微测量（STM）
➢ 扫描隧道显微镜1981年由在IBM瑞士苏黎世实验室工作
的G.Binning
和
H.Rohrer
发明，可用于观察物体
A
级的表
面形貌。被列为20世纪80年度世界十大科技成果之一，
1986年因此获诺贝尔物理学奖。
G.Binning
◆ 在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”， 而出现一系列新现象和规律。量子效应、波动特性、 微观涨落等不可忽略，甚至成为主导因素。
◆ 纳米技术研究的主要内容
➢纳米级精度和表面形貌测量及表面层物理、化学性能 检测； ➢纳米级加工； ➢纳米材料； ➢纳米级传感与控制技术； ➢微型与超微型机械。
第五章原子力显微镜ppt课件
包括：光反射法、光干涉法、隧道电流法、电容 检测法等。目前AFM系统中常用的是激光反射检 测系统，它具有简便灵敏的特点。激光反射检测 系统由探针、激光发生器和光检测器组成.
2 探针 ❖ 探针是AFM检测系统的关键部分．它由悬臂和
悬臂末端的针尖组成．随着精细加工技术的发展， 人们已经能制造出各种形状和特殊要求的探针。 悬臂是由Si或Si3N4经光刻技术加工而成的．悬臂 的背面镀有一层金属以达到镜面反射。在接触式 AFM中V形悬臂是常见的一种类型(如图3.2所 示)．
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
❖ 它的优点是具有低的垂直反 射机械力阻和高的侧向扭曲 机械力阻．悬臂的弹性系数 一般低于固体原于的弹性系 数， 悬臂的弹性常数与形状、 大小和材料有关．厚而短的 悬臂具有硬度大和振动频率 高的特点．
四、 原子力显微镜工作环境 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程
原子力显微镜受工作环境限制较少，它可以在超高真空、气 相、液相和电化学的环境下操作。 (1)真空环境：最早的扫描隧道显微镜(STM)研究是在超高真空下进 行操作的。后来，随着AFM的出现，人们开始使用真空AFM研 究固体表面．真空AFM避免了大气中杂质和水膜的干扰，但其 操作较复杂。 (2)气相环境：在气相环境中，AFM操作比较容易，它是广泛采用 的一种工作环境．因AFM操作不受样品导电性的限制，它可以 在空气中研究任何固体表面，气相环境中AFM多受样品表面水 膜干扰。 (3)液相环境：在液相环境中．AFM是把探针和样品放在液池中工 作，它可以在液相中研究样品的形貌．液相中AFM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。
2 探针 ❖ 探针是AFM检测系统的关键部分．它由悬臂和
悬臂末端的针尖组成．随着精细加工技术的发展， 人们已经能制造出各种形状和特殊要求的探针。 悬臂是由Si或Si3N4经光刻技术加工而成的．悬臂 的背面镀有一层金属以达到镜面反射。在接触式 AFM中V形悬臂是常见的一种类型(如图3.2所 示)．
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
❖ 它的优点是具有低的垂直反 射机械力阻和高的侧向扭曲 机械力阻．悬臂的弹性系数 一般低于固体原于的弹性系 数， 悬臂的弹性常数与形状、 大小和材料有关．厚而短的 悬臂具有硬度大和振动频率 高的特点．
四、 原子力显微镜工作环境 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程
原子力显微镜受工作环境限制较少，它可以在超高真空、气 相、液相和电化学的环境下操作。 (1)真空环境：最早的扫描隧道显微镜(STM)研究是在超高真空下进 行操作的。后来，随着AFM的出现，人们开始使用真空AFM研 究固体表面．真空AFM避免了大气中杂质和水膜的干扰，但其 操作较复杂。 (2)气相环境：在气相环境中，AFM操作比较容易，它是广泛采用 的一种工作环境．因AFM操作不受样品导电性的限制，它可以 在空气中研究任何固体表面，气相环境中AFM多受样品表面水 膜干扰。 (3)液相环境：在液相环境中．AFM是把探针和样品放在液池中工 作，它可以在液相中研究样品的形貌．液相中AFM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。
原子力显微镜AFM讲义
DATA PROCESSING
Materials Characterization Lab /mcl
TYPICAL OPERATIONS INVOLVE: • Removing tilt, drift, scanner offsets and distortions • Altering contrast, brightness, colors • Magnify or reduce the vertical scale • Curvature or edge enhancement algorithms • Retouch areas of bad data • Filtering “environmental noise” • Introduce artificial light sources • Fourier Transform • 3-dimensional rendering • Low-Pass/High-Pass Filtering • Surface parameters such as roughness, skewness, or kurtosis • Cross sectional analyses • Bearing analyses
STIFFNESS, ELASTICITY, COMPLIANCE, FRICTION, ADHESION, MAGNETIC FIELDS, CARRIER CONCENTRATION, TEMPERATURE DISTRIBUTION, SPREADING RESISTANCE, AND CONDUCTIVITY
Materials Characterization Lab /mcl
COURTESY E. MANIAS
Materials Characterization Lab /mcl
原子力显微镜下课件
原子力显微镜下
2AFM技术在生物学研究中的应用
• 普通的电子显微镜对于生物膜的形成、发展、材料的表面特征和 腐蚀形貌等不能很好表征。
原子力显微镜下
AFM技术在生物学研究中的优点
• 1.AFM不仅能在分子级水平上观察试样，而且能量化材料的表面 特征信息．
• 2.其破坏性较其它生物学常用技术(如电子显微 • 镜)要小得多 • 3.AFM能在多种环境(包括空气、液体和真空)中运作，生物分子可
原子力显微镜下
快速成像
AFM能对样品进行快速扫描成像。传统AFM在快速 扫描中会出现图像的拉伸，导致成像质量降低。经 测试，对400X400像素的图像，扫描速度最快可以 达到15行／秒。 对于AFM系统，同等清晰度下，扫描所得图像的分 辨率越低，扫描的速度越快。对于某些应用，可以 在大的视场中使用较低分辨率的快速扫描，观察样 品表面的变化，然后对于感兴趣的部分进行高分辨 率的慢速扫描。
原子力显微镜下
原子力显微镜下
• 本系统扫描多孔氧化铝所得图像如图所示.图像大小为400x400像 素。右边为标注后多孔氧化铝的AFM三维立体图像。由图中可以 看到，该多孔氧化铝样品的纳米孔径排列均匀有序，清晰有致。 这里采用的是慢速扫描模式，获得图像的时间约在2分钟左右
原子力显微镜下
2金属玻璃的扫描成像
原子力显微镜下
• 3在信息领域，可利用原子力显微镜的探针进行纳 米压痕，以实现高密度信息存储。利用探针在样 品表面以轻敲形成表面的压痕，完成写入信息过 程
• 4在制造领域，实现基于原子力显微镜的纳米刻蚀 研究。在量子计算机方面，基于原子力五星级的 操作技术可应用于离子阱、量子点操作的研究。
原子力显微镜下
在生理条件下直接成像，也可对活细胞进行实时动态观察
2AFM技术在生物学研究中的应用
• 普通的电子显微镜对于生物膜的形成、发展、材料的表面特征和 腐蚀形貌等不能很好表征。
原子力显微镜下
AFM技术在生物学研究中的优点
• 1.AFM不仅能在分子级水平上观察试样，而且能量化材料的表面 特征信息．
• 2.其破坏性较其它生物学常用技术(如电子显微 • 镜)要小得多 • 3.AFM能在多种环境(包括空气、液体和真空)中运作，生物分子可
原子力显微镜下
快速成像
AFM能对样品进行快速扫描成像。传统AFM在快速 扫描中会出现图像的拉伸，导致成像质量降低。经 测试，对400X400像素的图像，扫描速度最快可以 达到15行／秒。 对于AFM系统，同等清晰度下，扫描所得图像的分 辨率越低，扫描的速度越快。对于某些应用，可以 在大的视场中使用较低分辨率的快速扫描，观察样 品表面的变化，然后对于感兴趣的部分进行高分辨 率的慢速扫描。
原子力显微镜下
原子力显微镜下
• 本系统扫描多孔氧化铝所得图像如图所示.图像大小为400x400像 素。右边为标注后多孔氧化铝的AFM三维立体图像。由图中可以 看到，该多孔氧化铝样品的纳米孔径排列均匀有序，清晰有致。 这里采用的是慢速扫描模式，获得图像的时间约在2分钟左右
原子力显微镜下
2金属玻璃的扫描成像
原子力显微镜下
• 3在信息领域，可利用原子力显微镜的探针进行纳 米压痕，以实现高密度信息存储。利用探针在样 品表面以轻敲形成表面的压痕，完成写入信息过 程
• 4在制造领域，实现基于原子力显微镜的纳米刻蚀 研究。在量子计算机方面，基于原子力五星级的 操作技术可应用于离子阱、量子点操作的研究。
原子力显微镜下
在生理条件下直接成像，也可对活细胞进行实时动态观察
扫描电子显微镜(SEM)与原子力显微镜(AFM)只是课件
AFM样品中纵向测量
AFM样品表面粗糙度测量
扫描电子显微镜(SEM）的应用
玻璃纤维
含油的砂岩
生物样品形貌
纳米结构材料形貌
材料表面形貌
原子力显微镜（AFM）的应用
用AFM针尖移动Si原子形成的IBM文字
云母的原子像 （接触模式）
DVD光盘表面 （接触模式）
DNA
霍乱菌
蓝蝴蝶翅膀
云母片上的 抗体分子
烟草花叶病毒
半结晶聚合物微结构
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扫描电子显微镜(SEM)与原子力 显微镜(AFM)
SEM技术的图像，扫描范围较大，可达数mm× mm，具 有较大的景深，可达数微米。
AFM技术的最大扫描范围100μm× 100μm，景深仅为数 微米。
在较大扫描范围(μm或mm级)，SEM的图像质量优于AFM；而在进 行小范围扫描时，尤其是nm级的扫描范围，AFM的图像明显优于SEM。
ห้องสมุดไป่ตู้
SEM图像
AFM图像
AFM技术可得到样品表面形貌结构的三维图像，并能测 量样品的三维信息，如左图，可准确地测出两个位置的高度 差。
由于AFM图像的纵向分辨率小于0. 01 nm,它能区分原子 级表面变化，可计算出样品表面的粗糙度，如右图，但是， 在原子级表面，SEM技术非常难检测样品表面细微的高度变 化。
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能检测出微悬臂0.01nm幅度的弯曲
AFM中的作用力
两个紧密排列的原子 或者分子之间的相互 作用可用LennardJones 势能来表示。
利用排斥力为敏感信号的接触式力显微镜（Contact AFM） 利用吸引力为敏感信号的非接触式力显微镜（Non-contact AFM）。
力的传感元件称为Cantilever，力的变化均可以通过这个
AFM image of the cicada wing
3D image
Cross section
PPV及CNPPV混合高分子薄膜表面相 分离的AFM影像 左图为薄膜表面形貌; 右图为摩擦力影像
电化学原子力显微镜
1、电化学原子力显微镜原理及其技术 （ECAFM） 2、ECAFM的应用
透射电镜的不足
工作环境：必须要真空
样品：直径3mm，厚度几十nm，制样复杂
信号：不能对信号进行后处理
图像：无色彩
ห้องสมุดไป่ตู้ SEM的缺陷
分辨率：分辨率受电子束斑直径限制，
分辨率一般情 况只能到10nm 工作条件：必须在真空条件下测试 样品：样品需要导电
STM的优点
1.具有极高的分辨率；
2.得到的是实时的、真实的样品 表面的高分辨率图象；
AFM的优缺点
原子级的高分辨率； 宽松的测试条件； 可以得到力学等众多信息。
AFM观察的始终是样品的外部信息；
样品固定；
视野局限；
AFM的应用
AFM成像（形貌观察） 力学性能测试 电、磁性能测试 加工、操纵
云母表面结构AFM成像
石墨表面结构AFM成像
AFM像中，A和B位置是近乎等同的
薄膜的AFM成像
硅原子的阶梯图案，利用标准的硅单原子的台阶分布（高 度为0.31nm）进行1埃~1纳米范围内的AFM高度定标。
研究DNA结合蛋白质中的应用
电沉积方法制备ZnO纳米结构薄膜
（不仅具有疏水特性，还兼具导电性）
AFM image
SEM image
Photo of the Cicada Orni
AFM的组成
AFM成像原理
原子力显微镜是一种通过研究样品表 面力同距离关系而获得样品表面形貌信 息的显微术。它不使用STM的金属探针， 而使用一个尖端附有探针的极灵敏的弹 簧壁来作为敏感元件，称之为微悬臂。 将微悬臂的一端固定（对微弱力极 敏感），另一端有一微小的针尖，针尖 与样品表面轻轻接触。针尖尖端原子与 样品表面的原子间存在极其微弱的排斥 力。随后可通过以下两种工作模式中的 任何一种得到表面形貌有关的信息，然 后经过计算机采集、处理，最后成像。 两种工作模式：恒高模式（保持样品与探针间的距离不变， 测量每一点作用力的大小）和恒力模式（保持样品和探针间作 用力不变，测量每一点高度的变化）。
• 检测微悬臂弯曲的方法：1－隧道电流法； 2－电容检测法；3－光学检测法（干涉法 和光束反射法） • 选择检测方法的原则：检测方法本身对悬 臂产生的作用力应该小到可以忽略的程度。
光学检测法
光束反射法－从激光器中发出的激 光聚焦在微悬臂背面，从其表面反 射。在进行样品扫描时，微悬臂弯 曲δz ，这一弯曲使反射的角度偏移 2δz / l ， l为微悬臂的长度（通常为 100－200μm）。反射光束的偏移 可用一灵敏光电二极管检测出来。 干涉法―一个优点，即不要求微悬 臂具有特别平滑的高反射性表面 （对于使用细丝微悬臂的磁力显微 镜和静力显微镜特别重要，应为细 丝微悬臂不具有高反射性表面）。
3.使用环境宽松； 4.应用领域宽广； 5.价格相对来讲较低。
STM的缺陷
1.只限于直接观测导体或半导体的表面结构； 2.非导电材料须在其表面覆盖一层导电膜；
3.当表面存在非单一电子态时，STM得到的是表 面形貌和表面电子性质的综合结果。
AFM发展概况
• 1981年，Binnig G和Rohrer提出扫描隧道显微镜 (STM)原理．并因此而获得1986年诺贝尔物理奖。 STM的分辨能力达原子级，可以用来确定导电物 质固体表面的原子结构和性质。 • l986年，Binnig G在扫描隧道显微镜基础上进一 步提出了的原子力显微镜(AFM)。AFM可以测量 绝缘体表面形貌，达到接近原子分辨水平，还可 以测量表面原子间力，测量表面的弹性、塑性、 硬度、摩擦力等诸多性质。
Cantilever被检测。
为了准确反应出针尖相对于样品表面微弱的力的变化， Cantilever和针尖的制备是十分关键的，是决定AFM灵敏 度的核心，因此AFM仪器的发展过程实际上是Cantilever 的不断改进的过程。 Cantilever通常要满足以下条件：（1）较低的力 的弹性系数；（2）高的力学共振频率；（3）高的横向刚 性；（4）尽可能短的悬臂长度；（5）Cantilever需要配 有镜面或者电极，使得能通过光学或者隧道电流方法检测 其动态位移；（6）带有一个尽可能尖锐的针尖。
原子力显微镜（AFM）
AFM的优点
具有原子级高分辨率，即可以分辨出单个原子，且放大倍 率连续可调（几百倍－上千倍）；与传统的电子显微镜， 特别是与扫描电子显微镜相比，它具有非常高的横向分辨 率（0.1-0.2 nm）和纵向分辨率（0.01 nm）。 可实时地观测表面的三维立体图像，这种实时观测的性能 可用于表面扩散等物理化学过程的监视、检测。 可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可以将样 品浸在水和其他溶液中，且不需要特别的制样技术。探测 过程中对样品无损伤。可以对导体、半导体、绝缘体等多 种样品成像，可用于各种表面膜的实时观测。 不需要高真空的必要工作条件，且体积小，成本低，性价 比高，远远低于一般的扫描电镜。
原子力显微镜 Atomic Force Microscope (AFM)
透射电镜成像偏差原因
球差：孔径角不同造成折射能力不同 畸变：离轴距离的改变导致放大倍数的改变 慧形差：旁轴射线与非旁轴射线成像
场曲：磁场汇聚作用的差异
色差：电子初速度不完全相同
轴上色散：磁透镜非严格对称
衍射差：类似光学显微镜由透镜导致的
AFM中的作用力
两个紧密排列的原子 或者分子之间的相互 作用可用LennardJones 势能来表示。
利用排斥力为敏感信号的接触式力显微镜（Contact AFM） 利用吸引力为敏感信号的非接触式力显微镜（Non-contact AFM）。
力的传感元件称为Cantilever，力的变化均可以通过这个
AFM image of the cicada wing
3D image
Cross section
PPV及CNPPV混合高分子薄膜表面相 分离的AFM影像 左图为薄膜表面形貌; 右图为摩擦力影像
电化学原子力显微镜
1、电化学原子力显微镜原理及其技术 （ECAFM） 2、ECAFM的应用
透射电镜的不足
工作环境：必须要真空
样品：直径3mm，厚度几十nm，制样复杂
信号：不能对信号进行后处理
图像：无色彩
ห้องสมุดไป่ตู้ SEM的缺陷
分辨率：分辨率受电子束斑直径限制，
分辨率一般情 况只能到10nm 工作条件：必须在真空条件下测试 样品：样品需要导电
STM的优点
1.具有极高的分辨率；
2.得到的是实时的、真实的样品 表面的高分辨率图象；
AFM的优缺点
原子级的高分辨率； 宽松的测试条件； 可以得到力学等众多信息。
AFM观察的始终是样品的外部信息；
样品固定；
视野局限；
AFM的应用
AFM成像（形貌观察） 力学性能测试 电、磁性能测试 加工、操纵
云母表面结构AFM成像
石墨表面结构AFM成像
AFM像中，A和B位置是近乎等同的
薄膜的AFM成像
硅原子的阶梯图案，利用标准的硅单原子的台阶分布（高 度为0.31nm）进行1埃~1纳米范围内的AFM高度定标。
研究DNA结合蛋白质中的应用
电沉积方法制备ZnO纳米结构薄膜
（不仅具有疏水特性，还兼具导电性）
AFM image
SEM image
Photo of the Cicada Orni
AFM的组成
AFM成像原理
原子力显微镜是一种通过研究样品表 面力同距离关系而获得样品表面形貌信 息的显微术。它不使用STM的金属探针， 而使用一个尖端附有探针的极灵敏的弹 簧壁来作为敏感元件，称之为微悬臂。 将微悬臂的一端固定（对微弱力极 敏感），另一端有一微小的针尖，针尖 与样品表面轻轻接触。针尖尖端原子与 样品表面的原子间存在极其微弱的排斥 力。随后可通过以下两种工作模式中的 任何一种得到表面形貌有关的信息，然 后经过计算机采集、处理，最后成像。 两种工作模式：恒高模式（保持样品与探针间的距离不变， 测量每一点作用力的大小）和恒力模式（保持样品和探针间作 用力不变，测量每一点高度的变化）。
• 检测微悬臂弯曲的方法：1－隧道电流法； 2－电容检测法；3－光学检测法（干涉法 和光束反射法） • 选择检测方法的原则：检测方法本身对悬 臂产生的作用力应该小到可以忽略的程度。
光学检测法
光束反射法－从激光器中发出的激 光聚焦在微悬臂背面，从其表面反 射。在进行样品扫描时，微悬臂弯 曲δz ，这一弯曲使反射的角度偏移 2δz / l ， l为微悬臂的长度（通常为 100－200μm）。反射光束的偏移 可用一灵敏光电二极管检测出来。 干涉法―一个优点，即不要求微悬 臂具有特别平滑的高反射性表面 （对于使用细丝微悬臂的磁力显微 镜和静力显微镜特别重要，应为细 丝微悬臂不具有高反射性表面）。
3.使用环境宽松； 4.应用领域宽广； 5.价格相对来讲较低。
STM的缺陷
1.只限于直接观测导体或半导体的表面结构； 2.非导电材料须在其表面覆盖一层导电膜；
3.当表面存在非单一电子态时，STM得到的是表 面形貌和表面电子性质的综合结果。
AFM发展概况
• 1981年，Binnig G和Rohrer提出扫描隧道显微镜 (STM)原理．并因此而获得1986年诺贝尔物理奖。 STM的分辨能力达原子级，可以用来确定导电物 质固体表面的原子结构和性质。 • l986年，Binnig G在扫描隧道显微镜基础上进一 步提出了的原子力显微镜(AFM)。AFM可以测量 绝缘体表面形貌，达到接近原子分辨水平，还可 以测量表面原子间力，测量表面的弹性、塑性、 硬度、摩擦力等诸多性质。
Cantilever被检测。
为了准确反应出针尖相对于样品表面微弱的力的变化， Cantilever和针尖的制备是十分关键的，是决定AFM灵敏 度的核心，因此AFM仪器的发展过程实际上是Cantilever 的不断改进的过程。 Cantilever通常要满足以下条件：（1）较低的力 的弹性系数；（2）高的力学共振频率；（3）高的横向刚 性；（4）尽可能短的悬臂长度；（5）Cantilever需要配 有镜面或者电极，使得能通过光学或者隧道电流方法检测 其动态位移；（6）带有一个尽可能尖锐的针尖。
原子力显微镜（AFM）
AFM的优点
具有原子级高分辨率，即可以分辨出单个原子，且放大倍 率连续可调（几百倍－上千倍）；与传统的电子显微镜， 特别是与扫描电子显微镜相比，它具有非常高的横向分辨 率（0.1-0.2 nm）和纵向分辨率（0.01 nm）。 可实时地观测表面的三维立体图像，这种实时观测的性能 可用于表面扩散等物理化学过程的监视、检测。 可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可以将样 品浸在水和其他溶液中，且不需要特别的制样技术。探测 过程中对样品无损伤。可以对导体、半导体、绝缘体等多 种样品成像，可用于各种表面膜的实时观测。 不需要高真空的必要工作条件，且体积小，成本低，性价 比高，远远低于一般的扫描电镜。
原子力显微镜 Atomic Force Microscope (AFM)
透射电镜成像偏差原因
球差：孔径角不同造成折射能力不同 畸变：离轴距离的改变导致放大倍数的改变 慧形差：旁轴射线与非旁轴射线成像
场曲：磁场汇聚作用的差异
色差：电子初速度不完全相同
轴上色散：磁透镜非严格对称
衍射差：类似光学显微镜由透镜导致的