原子力显微镜简介

AFM的应用
用于样品表面形态、纳米结构、链构象等方面进行研究。
AFM image of porous Al2O3 template
首次利用原子力显微镜获得单个分子 （并五苯）的内部结构
Science, 2009; 325, 1428 – 1431.
火星土壤
云母的原子像（接触模式）
DVD光盘表面（接触模式）
AFM假象
3.双针尖或多针尖假象：这种假象是由于一个探针末端带有 两个或多个尖点所致．当扫描样品时，多个针尖依次扫描样 品而得到重复图像。
AFM假象
4.样品上污物引起的假象：当样品上的污物与基底吸附不牢 时，污物可能被正在扫描的针尖带走．并随针尖运动，致使 大面积图像模糊不清。
AFM假象
5.样品-针尖间的作用力太小：探针不能顺利地扫描样品而出 现横向拉伸现象。此时可以通过调节振幅衰减量来调节作用 力。
wenku.baidu.com AFM的缺点
受样品因素限制较大（不可避免） 针尖易磨钝或受污染（磨损无法修复；污 染清洗困难） 针尖—样品间作用力较小 近场测量干扰问题 扫描速率低 针尖的放大效应
AFM假象
AFM 的优点是光或电对它成像基本没有影响， AFM 能测得表
面的真实形貌．尽管AFM成像简单，AFM本身也有假象存在．相
原子力显微镜
Atomic Force Microscope
原子力显微镜(AFM)
显微镜的发展史 AFM的基本原理 AFM的基本结构 AFM的工作模式 AFM的应用
显微镜的发展历史
光学显微镜 19世纪末
透射电子显微镜 1938年
扫描电子显微镜 1952年
扫描探针显微镜
原子力显微镜
1985年
扫描隧道显微镜
AFM相关的显微镜及技术
AFM能被广泛应用的一个重要原因是它具有开放性。 在AFM基本操作系统基础上，通过改变探针、成 像模式或针尖与样品间的作用力就可以测量样品的 多种性质．下面是一些与AFM相关的显微镜和技术：
1.侧向力显微镜(LFM) 2.磁力显微镜(MFM) 3.静电力显微镜(EFM) 4.化学力显微镜(CFM) 5.相检测显微镜(PHD) 6.纳米压痕技术(nanoindentation) 7.纳米加工技术(nanolithography)
4、反馈系统 AFM反馈控制是由计算机系统和电子线路共同完成的。 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。 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。
隧道电流检测法 是基于STM原理实现的。将 微悬臂背面与一微小STM探针接 触，其间施加一偏置电压，它们 之间便产生了隧道电流。在扫描 样品时，微悬臂将随样品表面形 貌变化而上下起伏，进而使其与 STM探针的位置也发生相应的变 化，导致隧道电流发生指数级的 变化，那么测量原理就间接变成 了STM的测量原理。
AFM探针的针尖
2、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由钛锆酸铅 [Pb(Ti,Zr)O3]制成的压电陶瓷材料。压电陶瓷有压 电效应，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。
AFM的优点

光学显微镜和电子显微镜成像时都受电磁衍射 的影响，这给它们辨别三维结构带来困难，所以它 们只能提供样品表面的二维图像，AFM能够提供真 正的三维表面图。 AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或 碳，不会对样品会造成不可逆转的伤害。 电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力 显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。 这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组 织。
3、检测系统
获得样品表面形貌是通过检测微悬臂位 置的变化而实现的。检测微悬臂位置变化的 主要方法有：

激光反射检测法 隧道电流检测法 激光干涉检测法 电容检测法
激光反射检测法 激光器发出的激光束经过 光学系统聚焦在微悬臂背 面，并从微悬臂背面反射 到由光电二极管构成的光 斑位置检测器。 在扫描样品时，随着样品 表面的原子与微悬臂探针 尖端的原子间的作用力的 变化，微悬臂将随样品表 面形貌变化而上下起伏， 反射光束也将随之偏移， 将光斑位置转化为电信号 后，再经计算机处理就能 反映出样品表面的形貌。
蝴蝶翅膀的AFM成像
云母片上的抗体分子的 AFM成像
生物样品
λ -DNA
霍乱菌
遭疟疾感染的人体红血球和蓝藻
纳米加工：
利用AFM可以对样品进行表面原子搬运，原子蚀刻，从 而制造纳米器件。
用AFM针尖移动Si原子 形成的IBM文字
假设两个原子，一个是在探针尖端，另一个是在样本
表面，随着它们之间的距离发生变化，它们间的作用力也 随之改变。原子力显微镜就是利用这种原子间距离和作用 力的对应关系来把样品表面的原子形貌呈现出来。
AFM的硬件结构
组成AFM的构件 主要有： 1、探针系统 2、扫描系统 3、检测系统 4、反馈系统
1、探针系统 探针组件是AFM的关键部分。 由微悬臂和微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 求的针尖。 微悬臂是由Si或Si3N4经光刻 技术加工而成的．微悬臂的背面镀 有一层金属以达到镜面反射。
AFM的几种工作模式
接触模式： 微悬臂探针紧压样品表面，检测时与样品保持接触，作 用力（斥力）通过微悬臂的变形进行测量。 该模式下，针尖与样品表面相接触，分辨率高，但成像 时针尖对样品的作用力较大，适合表面结构稳定的样品。
轻敲模式： 用处于共振状态、上下振荡的微悬臂探针对样品表面进行 扫描，样品表面起伏使微悬臂探针的振幅产生相应变化，从而 得到样品的表面形貌。 该模式下，针尖对样品进行“敲击”，两者间只有瞬间接 触，能有效克服接触模式下针尖引起的相互损伤，适合于柔软 或吸附样品的检测。
(2)气相环境：气相环境中，AFM多受样品表面水膜 干扰，但其操作比较容易，它是广泛采用的一种 工作环境。它可以在空气中研究任何固体表面， 不受样品导电性的限制。
(3)液相环境：液相环境中，AFM消除了针尖和样品 之间的毛细现象，因此减少了针尖对样品的总作用 力。液相AFM可以在液相中研究样品的形貌，其应 用十分广阔，可用于生物体系、腐蚀或液固界面的 研究。 (4)电化学环境：电化学AFM是在原有AFM基础上 添加了电解池、双恒电位仪和相应的应用软件。电 化学AFM可以现场研究电极的性质．包括化学和电 化学过程诱导的吸附、腐蚀以及有机和生物分子在 电极表面的沉积和形态变化等。
相位移模式： 该模式是轻敲模式的重要扩展技术，通过检测驱动微悬臂 探针振动的信号源的相位角与微悬臂探针检测时实际振动的相 位角之差（即两者的相移）的变化来成像。 引起该相移的因素很多，如样品的组分、硬度、粘弹性质 等。因此可在纳米尺度上获得样品表面局域性质的丰富信息。
AFM的工作环境
原子力显微镜受工作环境限制较少，它可以 在超高真空、气相、液相和电化学的环境下操作。 (1)真空环境：真空环境可以避免大气中杂质和水膜 的干扰，但其操作较复杂。
对来说，AFM的假象比较容易验证．下面介绍一些假象情况：
AFM假象
1.针尖成像：AFM中大多数假象源于针尖成像．针尖比样品 尖锐时，样品特征就能很好地显现出来。相反，当样品比针 尖更尖时，假象就会出现，这时成像主要为针尖特征．高表 面率的针尖可以减少这种假象发生．
AFM假象
2.钝的或污染的针尖产生假象：当针尖污染或有磨损时，所获 图像有时是针尖的磨损形状或污染物的形状．这种假象的特征 是整幅图像都有同样的特征。
1983年
IBM公司的Binning和 Stanford大学的Quate
原子力显微镜（AFM）是继扫描隧道显微镜（STM）之后 发明的一种具有原子级高分辨率的新型仪器，典型AFM的侧向 分辨率(x，y方向)可达到2nm，垂直分辨率(z方向)小于0.1 nm。 可以在大气和液体环境下对各种材料和样品（金属、半导体、 绝缘体）表面进行纳米区域的形貌探测，或者直接进行纳米操 纵，对物体表面进行加工修饰。
Bruker 原子力显微镜（Dimension Icon AFM）
AFM现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、 生物、化工、食品、医药研究，成为各种纳米 相关学科研究的基本工具。
AFM的基本原理
AFM是在STM 的基础上发展 起来的。所不 同的是，它不 是利用电子隧 道效应，而是 利用原子之间 的范德华力作 用来呈现样品 的表面特性。