现代材料分析方法-原子力显微镜
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图3.5 针尖污染时成像路线和相应形貌图 现代材料分析方法-原子力显微镜
图3.6 不同侧面角针尖对样品表面成像路线影响
现代材料分析方法-原子力显微镜
三、原于力显微镜基本成像模式
原子力显微镜有四种基本成像模式，它们分别是接触 式(Contact mode)、非接触式(non-contact mode)、敲击式 (tapping mode)和升降式(lift mode)．
1、接触成像模式
在接触式AFM中，探针与样品表面进行“软接触”．当 探针逐渐靠近样品表面时，探针表面原子与样品表面原子 首先相互吸引，一直到原子间电子云开始相互静电排 斥．如图3.7所示。
第五章 原子力显微镜 Atomic Force Microscope __ AFM
原于力显微镜与前几种显微镜相比有明显不 同，它用一个微小的探针来“摸索”. 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，并能获得探针与样品相互作 用的信息．典型AFM的侧向分辨率(x，y)可达到 2nm，垂直分辩牢(Z)小于0.1 nm．AFM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。
现代材料分析方法-原子力显微镜
3、光电检测器 AFM光信号检测是通过光电检测器来完成的。激光由光源
发出照在金属包覆的悬臀上，经反射后进入光电二极管检测系 统．然后，通过电子线路把照在两个二极管上的光量差转换成 电压信号方式来指示光点位置。
4、扫描系统
AFM对样品扫描的精确控制是靠扫描器来实现的．扫描器中 装有压电转换器．压电装置在X，Y，Z三个方向上精确控制 样品或探针位置。目前构成扫描器的基质材料主要是钛锆酸铅 [Pb(Ti,Zr)O3]制成的压电陶瓷材料．压电陶瓷有压电效应，即 在加电压时有收缩特性，并且收缩的程度与所加电压成比例关 系．压电陶瓷能将1mV~1000V的电压信号转换成十几分之一 纳米到几微米的位移。
给反馈系统和成像系统，记录扫描过程中一系列探 针变化就可以获得样品表面信息图像．下面分别介 绍检测系统、扫描系统和反馈控制系统。
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图3.1 AFM原理图
现代材料分析方法-原子力显微镜
1、检测系统
❖
悬臂的偏转或振幅改变可以通过多种方法检测，包括：
光反射法、光干涉法、隧道电流法、电容检测法等。目前
Байду номын сангаас
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)．
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❖ 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．
商品化的悬臂一般长为100-200 μm、宽10-40μm、厚0.3-2μm， 弹性系数变化范围一般在几十N·m-1到百分之几N·m-1之间，共 振频率一般大于10kHz。探针末端的针尖一般呈金字塔形或圆 锥形，针尖的曲率半径与AFM分辨率有直接关系．一般商品针 尖的曲率半径在几纳米到几十纳米范围．
电子线路系统起到计算机与扫描系统相连接的作用，电 子线路为压电陶瓷管提供电压、接收位置敏感器件传来的信 号，并构成控制针尖和样品之间距离的反馈系统。
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二、原子力显微镜的分辨率
❖ 原子力显微镜分辨率包括侧向分辨率和垂直分 辨率．图像的侧向分辨率决定于两种因素：采集 团像的步宽(Step size)和针尖形状．
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2. 针尖因素
AFM成像实际上是针尖形状与表面形貌作用的结果，针 尖的形状是影响侧向分辨率的关键因素。针尖影响AFM成像 主要表现在两个方面：针尖的曲率半径和针尖侧面角，曲率 半径决定最高侧向分辨率，而探针的侧面角决定最高表面比 率特征的探测能力．如图3.4所示，曲率半径越小，越能分辨 精细结构．
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第15章 其他显微分析方法
现代材料分析方法-原子力显微镜
一、原子力显微镜原理
AFM的原理较为简单，它是用微小探针“摸索”样品
表面来获得信息．如图3.1所示，当针尖接近样品时， 针尖受到力的作用使悬臂发生偏转或振幅改变．悬 臂的这种变化经检测系统检测后转变成电信号传递
现代材料分析方法-原子力显微镜
图3.4 不同曲率半径的针尖对球形物成像时的扫描路线
当针尖有污染时会导致针尖变钝(图3.5)，使得图像灵敏 度下降或失真，但钝的针尖或污染的针尖不影响样品的 垂直分辨率．样品的陡峭面分辨程度决定于针尖的侧面 角大小．侧面角越小，分辨陡峭样品表面能力就越强， 图3.6说明了针尖侧面角对样品成像的影响。
1. 步宽因素
❖ 原子力显微镜图像由许多点组成，其采点的形 式如图3.3所示．扫描器沿着齿形路线进行扫描， 计算机以一定的步宽取数据点．以每幅图像取 512x 512数据点计算，扫描1μm x1μm尺寸图像得 到步宽为2nm(1μm／512)高质量针尖可以提供 1~2nm的分辨率．由此可知，在扫描样品尺寸超 过1μm x1μm时，AFM的侧向分辨率是由采集图 像的步宽决定的。
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5、反馈控制系统 AFM反馈控制是由电子线路和计算机系统共同完成的。
AFM的运行是在高速、功能强大的计算机控制下来实现的。 控制系统主要有两个功能：(1)提供控制压电转换器X-Y方向 扫描的驱动电压；(2)在恒力模式下维持来自显微镜检测环路 输入模拟信号在一恒定数值．计算机通过A/D转换读取比较 环路电压(即设定值与实际测量值之差)．根据电压值不同， 控制系统不断地输出相应电压来调节Z方向压电传感器的伸 缩，以纠正读入A/D转换器的偏差，从而维持比较环路的输 出电压恒定。
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
图3.6 不同侧面角针尖对样品表面成像路线影响
现代材料分析方法-原子力显微镜
三、原于力显微镜基本成像模式
原子力显微镜有四种基本成像模式，它们分别是接触 式(Contact mode)、非接触式(non-contact mode)、敲击式 (tapping mode)和升降式(lift mode)．
1、接触成像模式
在接触式AFM中，探针与样品表面进行“软接触”．当 探针逐渐靠近样品表面时，探针表面原子与样品表面原子 首先相互吸引，一直到原子间电子云开始相互静电排 斥．如图3.7所示。
第五章 原子力显微镜 Atomic Force Microscope __ AFM
原于力显微镜与前几种显微镜相比有明显不 同，它用一个微小的探针来“摸索”. 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，并能获得探针与样品相互作 用的信息．典型AFM的侧向分辨率(x，y)可达到 2nm，垂直分辩牢(Z)小于0.1 nm．AFM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。
现代材料分析方法-原子力显微镜
3、光电检测器 AFM光信号检测是通过光电检测器来完成的。激光由光源
发出照在金属包覆的悬臀上，经反射后进入光电二极管检测系 统．然后，通过电子线路把照在两个二极管上的光量差转换成 电压信号方式来指示光点位置。
4、扫描系统
AFM对样品扫描的精确控制是靠扫描器来实现的．扫描器中 装有压电转换器．压电装置在X，Y，Z三个方向上精确控制 样品或探针位置。目前构成扫描器的基质材料主要是钛锆酸铅 [Pb(Ti,Zr)O3]制成的压电陶瓷材料．压电陶瓷有压电效应，即 在加电压时有收缩特性，并且收缩的程度与所加电压成比例关 系．压电陶瓷能将1mV~1000V的电压信号转换成十几分之一 纳米到几微米的位移。
给反馈系统和成像系统，记录扫描过程中一系列探 针变化就可以获得样品表面信息图像．下面分别介 绍检测系统、扫描系统和反馈控制系统。
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图3.1 AFM原理图
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1、检测系统
❖
悬臂的偏转或振幅改变可以通过多种方法检测，包括：
光反射法、光干涉法、隧道电流法、电容检测法等。目前
Байду номын сангаас
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)．
现代材料分析方法-原子力显微镜
❖ 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．
商品化的悬臂一般长为100-200 μm、宽10-40μm、厚0.3-2μm， 弹性系数变化范围一般在几十N·m-1到百分之几N·m-1之间，共 振频率一般大于10kHz。探针末端的针尖一般呈金字塔形或圆 锥形，针尖的曲率半径与AFM分辨率有直接关系．一般商品针 尖的曲率半径在几纳米到几十纳米范围．
电子线路系统起到计算机与扫描系统相连接的作用，电 子线路为压电陶瓷管提供电压、接收位置敏感器件传来的信 号，并构成控制针尖和样品之间距离的反馈系统。
现代材料分析方法-原子力显微镜
二、原子力显微镜的分辨率
❖ 原子力显微镜分辨率包括侧向分辨率和垂直分 辨率．图像的侧向分辨率决定于两种因素：采集 团像的步宽(Step size)和针尖形状．
现代材料分析方法-原子力显微镜
现代材料分析方法-原子力显微镜
2. 针尖因素
AFM成像实际上是针尖形状与表面形貌作用的结果，针 尖的形状是影响侧向分辨率的关键因素。针尖影响AFM成像 主要表现在两个方面：针尖的曲率半径和针尖侧面角，曲率 半径决定最高侧向分辨率，而探针的侧面角决定最高表面比 率特征的探测能力．如图3.4所示，曲率半径越小，越能分辨 精细结构．
现代材料分析方法-原子力显微镜
第15章 其他显微分析方法
现代材料分析方法-原子力显微镜
一、原子力显微镜原理
AFM的原理较为简单，它是用微小探针“摸索”样品
表面来获得信息．如图3.1所示，当针尖接近样品时， 针尖受到力的作用使悬臂发生偏转或振幅改变．悬 臂的这种变化经检测系统检测后转变成电信号传递
现代材料分析方法-原子力显微镜
图3.4 不同曲率半径的针尖对球形物成像时的扫描路线
当针尖有污染时会导致针尖变钝(图3.5)，使得图像灵敏 度下降或失真，但钝的针尖或污染的针尖不影响样品的 垂直分辨率．样品的陡峭面分辨程度决定于针尖的侧面 角大小．侧面角越小，分辨陡峭样品表面能力就越强， 图3.6说明了针尖侧面角对样品成像的影响。
1. 步宽因素
❖ 原子力显微镜图像由许多点组成，其采点的形 式如图3.3所示．扫描器沿着齿形路线进行扫描， 计算机以一定的步宽取数据点．以每幅图像取 512x 512数据点计算，扫描1μm x1μm尺寸图像得 到步宽为2nm(1μm／512)高质量针尖可以提供 1~2nm的分辨率．由此可知，在扫描样品尺寸超 过1μm x1μm时，AFM的侧向分辨率是由采集图 像的步宽决定的。
现代材料分析方法-原子力显微镜
5、反馈控制系统 AFM反馈控制是由电子线路和计算机系统共同完成的。
AFM的运行是在高速、功能强大的计算机控制下来实现的。 控制系统主要有两个功能：(1)提供控制压电转换器X-Y方向 扫描的驱动电压；(2)在恒力模式下维持来自显微镜检测环路 输入模拟信号在一恒定数值．计算机通过A/D转换读取比较 环路电压(即设定值与实际测量值之差)．根据电压值不同， 控制系统不断地输出相应电压来调节Z方向压电传感器的伸 缩，以纠正读入A/D转换器的偏差，从而维持比较环路的输 出电压恒定。
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