原子力显微镜——AFM

位置检测部分： 位置检测部分： 在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针尖与 在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针尖与 样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂 （cantilever）摆动，所以当激光照射在 cantilever）摆动，所以当激光照射在 cantilever的末端时，其反射光的位置也会因为 cantilever的末端时，其反射光的位置也会因为 cantilever摆动而有所改变，这就造成偏移量的 cantilever摆动而有所改变，这就造成偏移量的 产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器 将偏移量记录下并转换成电的信号，以供控制器 作信号处理。
1983年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学 1983年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学 家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了 Binnig和 Rohrer发明了 扫描隧道显微镜（STM） 扫描隧道显微镜（STM） 应用电子的“隧道效应” 应用电子的“隧道效应”这一原理，对导 体或半导体进行观测
敲击模式的优越性： 敲击模式尽管没有接触模式的分辨率高，但 是敲击模式在一定程度上减小样品对针尖 的粘滞现象，因为针尖与样品表面接触时， 利用其振幅来克服针尖利用其振幅来克服针尖-样品间的粘附力。 并且由于敲击模式作用力是垂直的，表面 材料受横向摩擦力和剪切力的影响都比较 小，减小扫描过程中针尖对样品的损坏。 所以对于较软以及粘附性较大的样品，尽 量选用敲击模式。
Leeuwenhoek磨制的单片显微镜的放大倍数 Leeuwenhoek磨制的单片显微镜的放大倍数 将近300倍 将近300倍
高级显微镜
1938年，德国工程师Max Knoll和 1938年，德国工程师Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上第一台透射电子显微 Ruska制造出了世界上第一台透射电子显微 镜（TEM） 镜（TEM） 1952年，英国工程师Charles Oatley制造 1952年，英国工程师Charles Oatley制造 出了第一台扫描电子显微镜（SEM） 出了第一台扫描电子显微镜（SEM） 至此，电子显微镜的分辨率达到纳米级
受样品因素限制较大（不可避免） 针尖易磨钝& 针尖易磨钝&受污染（磨损无法修复；污染 清洗困难） 针尖— 针尖—样品间作用力较小
硬件架构： 在原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM） 的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检 测部分、反馈系统。
力检测部分： 力检测部分： 在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测 在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测 的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系 统中是使用微小悬臂（cantilever）来检测原子 统中是使用微小悬臂（cantilever）来检测原子 之间力的变化量。这微小悬臂有一定的规格，例 如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而 这些规格的选择是依照样品的特性，以及操作模 式的不同，而选择不同类型的探针。
原子力显微镜
小组成员： 陈曦 90513108 刘聃 90513115 苏炳男 90513123 张志豹 90513118
AFM的发明与发展 AFM的发明与发展
显微镜的发展
光学显微镜
高级显微镜
光学显微镜
16世纪末，荷兰的眼镜商Zaccharias 16世纪末，荷兰的眼镜商Zaccharias Janssen, 第一台复合式显微镜，倍数太低
1985年，IBM公司的Binning和Stanford大 1985年，IBM公司的Binning和Stanford大 学的Quate研发出了原子力显微镜（AFM）， 学的Quate研发出了原子力显微镜（AFM）， 弥补了STM的不足 弥补了STM的不足
原 理
原 子 间 范 德 华 力
图1、原子与原子之间的交互作用力因为彼 此之间的距离的不同而有所不同， 此之间的距离的不同而有所不同，其之间 的能量表示也会不同。 的能量表示也会不同。
反馈系统： 反馈系统： 在原子力显微镜（AFM）的系统中，将 在原子力显微镜（AFM）的系统中，将 信号经由激光检测器取入之后，在反馈系 统中会将此信号当作反馈信号，作为内部 的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制 作的扫描器做适当的移动，以保持样品与 针尖保持合适的作用力。
原子力显微镜（AFM）便是结合以上三个部分来将 原子力显微镜（AFM）便是结合以上三个部分来将 样品的表面特性呈现出来的：在原子力显微镜 （AFM）的系统中，使用微小悬臂（cantilever） AFM）的系统中，使用微小悬臂（cantilever） 来感测针尖与样品之间的交互作用，测得作用力。 这作用力会使cantilever摆动，再利用激光将光照 这作用力会使cantilever摆动，再利用激光将光照 射在cantilever的末端，当摆动形成时，会使反射 射在cantilever的末端，当摆动形成时，会使反射 光的位置改变而造成偏移量，此时激光检测器会记 录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利 于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性以 影像的方式给呈现出来。
STM就是运用了“隧道效应” STM就是运用了“隧道效应”这一原理，如 图：
探针与样品之间的缝隙就相当于一个势垒， 电子的隧道效应使其可以穿过这个缝隙， 形成电流，并且电流对探针与样品之间的 距离十分敏感，因此通过电流强度就可以 知道到探针与样品之间的距离
STM的原理是电子的“隧道效应” STM的原理是电子的“隧道效应”，所以只 能测导体和部分半导体
隧道效应： 经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能 量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如 骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也 能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停 住，然后退回去。 量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子 冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好 像有一个隧道，故名隧道效应（quantum tunneling）。 像有一个隧道，故名隧道效应（quantum tunneling）。 可见，宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽 然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应， 因为隧穿几率极小，但在某些特丁的条件下宏观的隧道效 应也会出现。
在生物医学研究中，最常用的一种模式是 敲击模式（tapping AFM）： 敲击模式（tapping AFM）： 在敲击模式中，一种恒定的驱使力使探针悬 臂以一定的频率振动。当针尖刚接触样品 时，悬臂振幅会减少到某一数值。在扫描 过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一数 值恒定，也就是说作用在样品上的力恒定， 通过记录压电陶瓷管的移动得到样品表面足多种不同样品的要求，用于多 种系统的成像 量子点 生物分子 多聚体 单体的自组装
沉积于云母片上的抗体分子的 AFM成 像。空气中，室温。由于抗 体分子沉积于支持物的方向不同， 而表现出几种形态。
原子力显微镜对金的观测 烟草花叶病毒扫描图
AFM的缺点 AFM的缺点
在原子力显微镜的系统中，是利用微小探 针与待测物之间交互作用力，来呈现待测 物的表面之物理特性。所以在原子力显微 镜中也利用斥力与吸引力的方式发展出两 种操作模式： （1）利用原子斥力的变化而产生表面 轮廓为接触式原子力显微镜（contact 轮廓为接触式原子力显微镜（contact AFM），探针与试片的距离约数个Å AFM），探针与试片的距离约数个Å。 （2）利用原子吸引力的变化而产生表 面轮廓为非接触式原子力显微镜（non面轮廓为非接触式原子力显微镜（noncontact AFM），探针与试片的距离约数十 AFM），探针与试片的距离约数十 到数百Å 到数百Å。