AFM-原子力显微镜

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SEM image
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Photo of the Cicada Orni
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AFM image of the cicada wing
3D image
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Cross section
PPV及CNPPV混合高分子薄膜表面相 分 离的AFM影像
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。
• 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。
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原子力显微镜（AFM）
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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。
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。
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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）。
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力的传感元件称为Cantilever，力的变化均可以通过这个 Cantilever被检测。
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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
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
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。
➢ 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。
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光学检测法
能检测出微悬臂0.01nm幅度的弯曲
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）。
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，测量每一点高度的精品变课件化）。
• 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。
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透射电镜ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
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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
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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
AFM像中，A和B位置是近乎等同的 精品课件
薄膜的AFM成像
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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纳精米品课范件 围内的AFM高度定标。
研究DNA结合蛋白质中的应用
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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