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2. 作用力的检测模式
1) 恒力测量模式；
2) 测量微悬臂形变量的测量模式； 3) 恒力梯度Hale Waihona Puke Baidu量模式;
4) 力梯度测量模式。
3. AFM检测时的扫描成像模式
AFM检测试件表面微 观形貌时，现在采用 三种不同的扫描成像 模式： 1)接触扫描成像模式 (contact mode)， 2)非接触扫描成像模 式或抬高扫描成像模 式 (non-contact mode或 lift mode), 3)轻敲扫描成像模式
AFM的优点
STM 的探针是由针尖与样品之间的隧道电流的变化决 定的, STM要求样品表面能够导电，只能直接观察导体 和半导体的表面结构。 对于非导电的物质则要求样品 覆盖一层导电薄膜，但导电薄膜的粒度和均匀性难以 保证，且掩盖了物质表面的细节。
原子力显微镜利用原子之间的范德华力来呈现样品的表 面特性。因此，AFM 除导电样品外，还能够观测非导电 样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆盖，其应用领 域将更为广阔。
力 强相互作用力
针尖试件接触
相互作用距离 ~0.1m ~10－7m ~10－7m ~10－3m ~10－9m ~10－7m ~10－8m ~10－9m
~10－10m ~10－15m
~10－15m
2）探针尖接近试件过程中发生作用的各种力
探针－试件间距离在10 μm左右时，空气阻尼力 探针－试件间距离在100～1000nm时，主要静电力和磁力相互作用 探针－试件间距离在10～100nm处，吸附水膜产生几百nN吸引力的毛细力 针尖－试件距离到达10 nm左右时 ，原子(分子、离子)间吸引的范德华力 针尖－试件间距离小到1 nm以内时，原子间相互排斥的厍仑力开始起作用
这些显微技术都是利用探针与样品的不同相互作用，来探测表 面或界面在纳米尺度上表现出的物理性质和化学性质。
扫描探针显微镜具有三个传统显微镜无法达到的重大突破
➢扫描探针显微镜具有极高度的解析力 ➢扫描探针显微镜具有三维立体的成像能力 ➢扫描探针显微镜可以在多种环境下操作
• 原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由Binnig与史丹佛大学的Quate 于一 九八五年所发明的
(tapping mode)
AFM的三种扫描成像模式
1）接触扫描成像模式
该方式所感知的力是接触原子的外层电子相互排斥的库仑力，这相互排斥的库仑 力大小在10－8～10－11 N。该方式可以稳定地获得高分辨率试件表面微观形貌图像，有 可能达到原子级的测量分辨率。其缺点如下： （1）检测弹性模量低的软质试件时，试件表层在针尖力的作用下会产生变形，甚至划 伤，这将使测出的表面形貌图像出现假象。 （2）在大气条件下，多数试件表面都吸附着覆盖层（凝集水蒸气，有机污染物，氧化 层等），厚度一般为几nm。当探针尖接触这吸附层时，毛细现象会使吸附层下凹，或 粘附到针尖上，引起额外的粘附力，增加了总的作用力，造成了检测成像的畸变。 （3）针尖和试件接触并滑行，容易使探针尖磨损甚至损坏。
3）轻敲扫描成像模式
AFM轻敲扫描针尖振荡示意图
3.3 探针与试件间的作用力
1. 探针与试件间的各种作用力
1）各种长程力和短程力
作用力
举例
磁力
生物铁磁体 磁畴
静电力
长
程
毛细力
力
液固界面力
针类—试件间电容 玻璃上水膜 针尖和试件间凹面
范德华力 粘附力
针尖一试件间（R>>Z） 跳跃接触
短
排斥力
程
弱相互作用力
固体材料实验方法
——原子力显微镜
1982 年,Gerd Binnig 和Heinrich Rohrer 共同研制成功了第一台 扫描隧道显微镜( scanning tunneling microscope ,STM), 1986 年,Binnig 和Rohrer 被授予诺贝尔物理学奖。衍生出一系列扫描探 针显微镜（Scanning Probe microscope）
AFM的三大特点
❖原子级的高分辨率
光学显微镜的放大倍数一般都超不过1000倍; 电子显微镜的放大倍数极限为100万倍; 而AFM的放大倍数能高达10亿倍,
❖观察活的生命样品
电子显微镜的样品必须进行固定、脱水、包埋、切片、 染色等一系列处理,因此电子显微镜只能观察死的细胞 或组织的微观结构;
原子力显微镜的样本可以是生理状态的各种物质, 在大气条件或溶液中都能进行,因而只需很少或不 需对样品作前期处理,这样,就使AFM能观察任何活 的生命样品及动态过程。
微悬臂
STM 驱动
显示器
计算机 及控制器
试件 压电扫描器
立式AFM ( Hansma等,
1988 )
原子力显微镜后来又经过多次 改进，现代的AFM不仅有原子级的 分 辨 率 ( 纵 向 0.01nm ， 横 向 0.1 nm)，针尖对试件的作用力极小， 基本不划伤试件，能测量软质试件， 而且具有多项新的测量功能
2）非接触扫描成像模式
非接触扫描模式测量时，测量的作用力是以范德华力为主的吸引力，针尖－试件 间距离大致在5～20 nm。
非接触扫描测量模式的主要优点, 是探针和试件不接触，针尖测量时不会使试件表 面变形，适用于弹性模量低的试件，此外因针尖和试件不接触，测量不受毛细力的影 响，同时针尖也不易磨损。但非接触扫描测量模式测量灵敏度要低些。
❖加工样品的力行为
测试样品的硬度和弹性等;AFM还能产生和 测量电化学反应。AFM还具有对标本的分 子或原子进行加工的力行为,例如:可搬移原 子，切割染色体，在细胞膜上打孔等等。
2. 原子力显微镜的基本工作原理
AFM 扫描驱动
试件 AFM探针 STM 探针
探测器
3.1 原子力显微镜简介
激光
微悬臂和探针
3）AFM测量时利用的相互作用力
3. 原子力显微镜的总体结构组成
3.2 原子力显微镜的测量和扫描模式
1. AFM检测的要求
探针尖和试件表面非常接近时，二者间的作用力极为复杂，有原子(分子、离子) 间的排斥力(库仑力)、吸引力(范德华力)、磁力、静电力、摩擦力(接触时)、粘附力、 毛细力等。AFM的检测成像用的是原子(分子、离子)间的排斥力(接触测量)或吸引力 (非接触测量)，而其他各种作用力对AFM的检测成像并无帮助，而只是起干扰影响作 用。
1) 恒力测量模式；
2) 测量微悬臂形变量的测量模式； 3) 恒力梯度Hale Waihona Puke Baidu量模式;
4) 力梯度测量模式。
3. AFM检测时的扫描成像模式
AFM检测试件表面微 观形貌时，现在采用 三种不同的扫描成像 模式： 1)接触扫描成像模式 (contact mode)， 2)非接触扫描成像模 式或抬高扫描成像模 式 (non-contact mode或 lift mode), 3)轻敲扫描成像模式
AFM的优点
STM 的探针是由针尖与样品之间的隧道电流的变化决 定的, STM要求样品表面能够导电，只能直接观察导体 和半导体的表面结构。 对于非导电的物质则要求样品 覆盖一层导电薄膜，但导电薄膜的粒度和均匀性难以 保证，且掩盖了物质表面的细节。
原子力显微镜利用原子之间的范德华力来呈现样品的表 面特性。因此，AFM 除导电样品外，还能够观测非导电 样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆盖，其应用领 域将更为广阔。
力 强相互作用力
针尖试件接触
相互作用距离 ~0.1m ~10－7m ~10－7m ~10－3m ~10－9m ~10－7m ~10－8m ~10－9m
~10－10m ~10－15m
~10－15m
2）探针尖接近试件过程中发生作用的各种力
探针－试件间距离在10 μm左右时，空气阻尼力 探针－试件间距离在100～1000nm时，主要静电力和磁力相互作用 探针－试件间距离在10～100nm处，吸附水膜产生几百nN吸引力的毛细力 针尖－试件距离到达10 nm左右时 ，原子(分子、离子)间吸引的范德华力 针尖－试件间距离小到1 nm以内时，原子间相互排斥的厍仑力开始起作用
这些显微技术都是利用探针与样品的不同相互作用，来探测表 面或界面在纳米尺度上表现出的物理性质和化学性质。
扫描探针显微镜具有三个传统显微镜无法达到的重大突破
➢扫描探针显微镜具有极高度的解析力 ➢扫描探针显微镜具有三维立体的成像能力 ➢扫描探针显微镜可以在多种环境下操作
• 原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由Binnig与史丹佛大学的Quate 于一 九八五年所发明的
(tapping mode)
AFM的三种扫描成像模式
1）接触扫描成像模式
该方式所感知的力是接触原子的外层电子相互排斥的库仑力，这相互排斥的库仑 力大小在10－8～10－11 N。该方式可以稳定地获得高分辨率试件表面微观形貌图像，有 可能达到原子级的测量分辨率。其缺点如下： （1）检测弹性模量低的软质试件时，试件表层在针尖力的作用下会产生变形，甚至划 伤，这将使测出的表面形貌图像出现假象。 （2）在大气条件下，多数试件表面都吸附着覆盖层（凝集水蒸气，有机污染物，氧化 层等），厚度一般为几nm。当探针尖接触这吸附层时，毛细现象会使吸附层下凹，或 粘附到针尖上，引起额外的粘附力，增加了总的作用力，造成了检测成像的畸变。 （3）针尖和试件接触并滑行，容易使探针尖磨损甚至损坏。
3）轻敲扫描成像模式
AFM轻敲扫描针尖振荡示意图
3.3 探针与试件间的作用力
1. 探针与试件间的各种作用力
1）各种长程力和短程力
作用力
举例
磁力
生物铁磁体 磁畴
静电力
长
程
毛细力
力
液固界面力
针类—试件间电容 玻璃上水膜 针尖和试件间凹面
范德华力 粘附力
针尖一试件间（R>>Z） 跳跃接触
短
排斥力
程
弱相互作用力
固体材料实验方法
——原子力显微镜
1982 年,Gerd Binnig 和Heinrich Rohrer 共同研制成功了第一台 扫描隧道显微镜( scanning tunneling microscope ,STM), 1986 年,Binnig 和Rohrer 被授予诺贝尔物理学奖。衍生出一系列扫描探 针显微镜（Scanning Probe microscope）
AFM的三大特点
❖原子级的高分辨率
光学显微镜的放大倍数一般都超不过1000倍; 电子显微镜的放大倍数极限为100万倍; 而AFM的放大倍数能高达10亿倍,
❖观察活的生命样品
电子显微镜的样品必须进行固定、脱水、包埋、切片、 染色等一系列处理,因此电子显微镜只能观察死的细胞 或组织的微观结构;
原子力显微镜的样本可以是生理状态的各种物质, 在大气条件或溶液中都能进行,因而只需很少或不 需对样品作前期处理,这样,就使AFM能观察任何活 的生命样品及动态过程。
微悬臂
STM 驱动
显示器
计算机 及控制器
试件 压电扫描器
立式AFM ( Hansma等,
1988 )
原子力显微镜后来又经过多次 改进，现代的AFM不仅有原子级的 分 辨 率 ( 纵 向 0.01nm ， 横 向 0.1 nm)，针尖对试件的作用力极小， 基本不划伤试件，能测量软质试件， 而且具有多项新的测量功能
2）非接触扫描成像模式
非接触扫描模式测量时，测量的作用力是以范德华力为主的吸引力，针尖－试件 间距离大致在5～20 nm。
非接触扫描测量模式的主要优点, 是探针和试件不接触，针尖测量时不会使试件表 面变形，适用于弹性模量低的试件，此外因针尖和试件不接触，测量不受毛细力的影 响，同时针尖也不易磨损。但非接触扫描测量模式测量灵敏度要低些。
❖加工样品的力行为
测试样品的硬度和弹性等;AFM还能产生和 测量电化学反应。AFM还具有对标本的分 子或原子进行加工的力行为,例如:可搬移原 子，切割染色体，在细胞膜上打孔等等。
2. 原子力显微镜的基本工作原理
AFM 扫描驱动
试件 AFM探针 STM 探针
探测器
3.1 原子力显微镜简介
激光
微悬臂和探针
3）AFM测量时利用的相互作用力
3. 原子力显微镜的总体结构组成
3.2 原子力显微镜的测量和扫描模式
1. AFM检测的要求
探针尖和试件表面非常接近时，二者间的作用力极为复杂，有原子(分子、离子) 间的排斥力(库仑力)、吸引力(范德华力)、磁力、静电力、摩擦力(接触时)、粘附力、 毛细力等。AFM的检测成像用的是原子(分子、离子)间的排斥力(接触测量)或吸引力 (非接触测量)，而其他各种作用力对AFM的检测成像并无帮助，而只是起干扰影响作 用。