显微设备

工作模式-轻敲模式
振幅：5nm ～100nm
van der Waals force curve
介于接触模式和非接触模式之间: 其特点是扫描过程中微悬臂也是振荡的并具有比非 接触模式更大的振幅(5~100nm)，针尖在振荡时间断地 与样品接触。
工作模式-轻敲模式
特点：
1）分辨率几乎同接触模式一样好；
显微镜的种类
• 按目镜数目 目单 目双 目三 • 按用途及应用范围
生 物 显 微 镜
金 相 显 微 镜
体 视 显 微 镜
• 按光学原理分偏光、相差和微分干涉显微镜
Biblioteka Baidu
医学常用显微镜
• • • • • • • • 暗视野显微镜 实体显微镜 荧光显微镜 偏光显微镜 相差显微镜 倒置显微镜 微分干涉显微镜（DIC） 摄影显微镜
• Lateral Force Microscopy (LFM)横向力 • Magnetic Force Microscopy (MFM)磁力 • Electrostatic Force Microscopy (EFM)静电力 • Chemical Force Microscopy (CFM)化学力 • Near Field Scanning Optical Microscopy (NSOM)近场扫描
衍 射 效 应
衍射屏 观察屏
S
*

a
刚可分辨
不可分辨
最小分辨距离 ：阿贝公式
1.22 r 2n sin
r~0.2um （3000倍）
电子显微镜
电子波长比可见光短得多。制成电子显 微镜将具有更高的分辨本领。
1938年：第一台透射电子显微镜（TEM）。 1952年：第一台扫描电子显微镜（SEM）。 电子显微镜的分辨率可以达到纳米级（10-9m）。
基本原理
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
微悬臂
laser diode photo detector
激光二极管
光电检测器
cantilever
sample
scanner
基本原理
基本原理
AFM信号反馈模式
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
• 5、显微镜尽可能不移动，若需移动应轻拿轻放，避免碰撞。微调操作时， 要缓慢，不可动作过大。
• 6、 不允许随意自行拆卸仪器，特别是中间光学系统或重要的机械部件， 以免降低仪器的使用性能。
数码互动实验室
显微数码互动实验室
原子力显微镜 Atomic Force Microscopy
主要内容
基本原理 应 用
2）接触非常短暂，因此剪切力引起的对样 品的破坏几乎完全消失；
工作模式-轻敲模式
相位成像(phase imaging)技术
通过轻敲模式扫描过程中振动微悬臂的相位变化 来检测表面组分,粘附性,摩擦,粘弹性和其他性质 的变化.
基本原理
基本原理
基本原理 原子力显微镜之解析度
基本原理
基本原理
基本原理
工作模式-非接触模式
van der Waals force curve
d: 5~20nm 振幅：2nm～5nm
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。
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 数据不稳定和对样品的破坏。
聚合物膜表面形貌与相分离观察
• 对非晶态聚合物膜,形貌图信息较为有限。AFM“相成 像”方式 (phase imaging)得到的数据与样品表面硬 度和粘弹性有关，可以观察相分离．即使在样品表面 相对“平坦”的情况下,也能较好地反映出聚合物的 相分离后,不同类型聚合物的所在区域。
高分子结晶形态观察
显
微
设
备
刘君星
熟练掌握仪器使用要具备：
•胆大心细
•有备而来
主讲内容
显微镜种类
不同分类 常见显微镜 显微镜图片 符号含义 注意事项 简介 原理 应用
荧光显微镜 原子力显微镜
显微镜发展历史
第一代：光学显微镜(1676) 第二代：电子显微镜(1938) 第三代：扫描探针显微镜SPM （1982）
光学显微镜
非晶态单链高分子结构观察
• 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。
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
1 表面整体形态研究
2 孔径(分布),粒度（分布）研究
主要内容
工作原理 应 用
原子力显微镜的应用
金属
半导体材料
化学
纳米材料
生命科学
微加工技术
……
生物和生命科学
• 对生物细胞的表面形态观察 细胞的表面积、厚度、宽度和体积等的量化参数 • 生物大分子的结构及其它性质的观测研究
①蛋白质
②DNA ③RNA
④核酸与蛋白质复合物
⑤细胞 ⑥病毒 • 生物分子之间力谱曲线的观测
基本原理 工作原理
应 用
仪器构成
工作模式
基本原理
在S T M基础上发展而来 ——S T M原理
宾尼
罗雷尔
1982年，Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明扫描隧道显微镜（STM )，获 得1986年的诺贝尔物理学奖 。
基本原理
在S T M基础上发展而来 ——S T M原理 • 电子隧道效应
荧光显微镜
1.符号
2.注意事项
1.符号
• 显微镜上的标记都代表什么意义？ • 1、相差物镜上标记的Ph1、Ph2、Ph3是什么意思？ • 相差物镜要配合安装在聚光镜的环状光阑来使用。光阑的直径要与物 镜的NA值相匹配。Ph1表示物镜的NA值不超过0.50；Ph2表示NA值 在0.55至1.0之间；Ph3表示NA值大于1.0（油镜）。长工作距离的物 镜使用专用的相差环。 • 2、目镜上标记的“C”、“K”、“WF”、“H”代表什么意思? • 一些物镜对于侧面的色差不能校正，就需要装配补偿目镜（标记“C” 、“K”）来提高成像质量。“WF”指“广视场”，“H”指“高眼点” 。 • 3、物镜上标记的“160”是什么意思？ • 这个标记表示物镜是有限远光学系统的，160MM的光学筒长指从物 镜转盘（物镜安装处）到观察筒顶部（目镜安装处）的距离。 • 4、对于“LWD”或 “ULWD”对物镜表示什么意思？ • 这些长工作距离和超长工作距离物镜，他们的工作距离指物镜前端聚 焦到样品的距离比其他物镜的工作距离要长。 • 5、物镜上标记的颜色代表什么意思？ • 物镜上的颜色代表着放大倍率，红色标记表示放大倍率为4倍或5倍， 黄色代表10倍，绿色代表20倍，蓝色代表40倍，50倍或60倍。白色 代表100倍。 • 显微镜上配置的灰色滤色片上，数字25 、50 是什么意思？ • 用于衰减光的亮度用的，25 是指25%的光透过。
注意事项
• 1、显微镜不论在使用或者存放时应在稳固的平台上，同时应避免灰尘、 潮湿、过冷、过热及含有酸碱性的蒸汽 • 2、 所有镜头表面必须保持清洁，落在镜头表面的灰尘，可用吸耳球吹去， 也可用软毛刷轻轻的掸去掉。 • 3、 当镜头表面沾有油污或指纹时，可用脱脂棉或擦镜纸蘸少许无水乙醇 和乙醚的混合液（3:7）轻轻擦拭。 • 4、 不能用有机溶液清擦其它部件表面，特别是塑料部件，可用软布蘸少 量中性洗涤剂清擦。在任何情况下操作人员不能用棉团、干布块或干镜头 纸擦拭镜头表面，否则会刮伤镜头表面，严重损坏镜头；也不要用水擦试 镜头，这样会在镜头表面残留一些水渍，因而可能滋生霉菌，严重损坏显 微镜。
生物和生命科学
用AFM观察DNA双螺旋结构
生物和生命科学
用AFM观察细胞生长
微电子科学和技术
用AFM观察集成电路的线路刻蚀情况
高分子领域的应用
聚合物膜表面形貌与相分离观察
Kajiyama等人应用AFM研究了单分散聚苯乙烯(PS)/ 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混成膜的相分离情况。 膜较厚时(25μｍ), 看不到分相。膜厚100nｍ时, 可以得到PMMA呈岛状分布在PS中的AFM图象。
Section analysis of TM-AFM image.
Tapping mode atomic force micrographs
3 粗糙度研究
粗糙度（Surface roughness）表示膜表面形态间 的差异，影响着膜的物理和化学性能、膜表面的污 染程度和膜的水通量。
膜污染研究-超滤膜或微滤膜
新膜表面三维图 X —1μ m/ 格; Z —50 nm/ 格
污染膜表面三维图 X —1μ m/ 格; Z —2 000 nm/ 格
制样之关键
• • • • • 涂膜的厚度 溶液的浓度 成膜的条件 与基体材料的结合（云母/玻片/石墨片） 膜的干燥
AFM 以分辨率高、制 样要求简单、得到的样品 表面信息丰富的特点在各 领域得到了越来越广泛的 应用。
• THE END！
d<1nm
隧道电流随探针 样品间距离减小而呈 指数增加． 样品导电性要好
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 Force）作用来呈现样品的表面特性
样品处理过程复杂 要在高真空的环境下操作
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) 扫描隧道显微镜
• Atomic force microscopy (AFM)
氮化硅探针针尖放大图
基本原理 针尖技术
为克服“加宽效应”： • 一方面可发展制造尖端更尖的探针技术， • 另一方面对标准探针进行修饰也可提高图像质量。
单碳纳米壁管 直径0. 7～5 nm
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 .
d ＜０.０３nm
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。
工作模式-接触模式
优点：可产生稳定、高分辨图像。 缺点： 可能使样品产生相当大的变形，对柔 软的样品造成破坏，以及破坏探针，严 重影响AFM成像质量。
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
工作模式-接触模式
van der Waals force curve