AFM原子力显微镜详解
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原子力显微镜探针工作流程
• 原子力显微镜（atomic force microscope，简称AFM）利 用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间 的作用力，从而达到检测的目的，具有原子级的分辨率。
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原子力显微镜探针工作流程
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接触模式
• 从概念上来理解，接触模式是AFM最直接的成像 模式。正如名字所描述的那样，AFM 在整个扫描 成像过程之中，探针针尖始终与样品表面保持紧 密的接触，而相互作用力是排斥力。扫描时，悬 臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构 ，因此力的大小范围在10 - 10～10 - 6 N。若样 品表面柔嫩而不能承受这样的力，便不宜选用接 触模式对样品表面进行成像。
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位置检测部分
• 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，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反 射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，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SPM控制器作信号处理。
• 如上图所示，二极管激光器（Laser Diode）发出 的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂（Cantilever ）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（Detector）。在样品扫描 时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原 子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而 弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过 光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测 样品表面形貌的信息。
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敲击模式
• 敲击模式介于接触模式和非接触模式之间，是一 个杂化的概念。悬臂在试样表面上方以其共振频 率振荡，针尖仅仅是周期性地短暂地接触/ 敲击样 品表面。这就意味着针尖接触样品时所产生的侧 向力被明显地减小了。因此当检测柔嫩的样品时 ，AFM的敲击模式是最好的选择之一。一旦AFM 开始对样品进行成像扫描，装置随即将有关数据 输入系统，如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰顶 之间的最大距离等，用于物体表面分析。同时， AFM 还可以完成力的测量工作，测量悬臂的弯曲 程度来确定针尖与样品之间的作用力大小。
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原子力显微镜仪器结构
• 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
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力检测部分
• 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）来检测原子之间 力的变化量。微悬臂通常由一个一般100~500μm 长和大约500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制成。 微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品－针 尖间的相互作用力。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。
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三种模式的比较
• • • 接触模式（Contact Mode）： 优点：扫描速度快，是唯一能够获得“原子分辨率”图像的AFM垂直方向上有 明显变化的质硬样品，有时更适于用Contact Mode扫描成像。 缺点：横向力影响图像质量。在空气中，因为样品表面吸附液层的毛细作用 ，使针尖与样品之间的粘着力很大。横向力与粘着力的合力导致图像空间分 辨率降低，而且针尖刮擦样品会损坏软质样品（如生物样品，聚合体等）。 非接触模式（Non-Contact Mode）： 优点：没有力作用于样品表面。 缺点：由于针尖与样品分离，横向分辨率低；为了避免接触吸附层而导致针 尖胶粘，其扫描速度低于Tapping Mode和Contact Mode AFM。通常仅用于 非常怕水的样品，吸附液层必须薄，如果太厚，针尖会陷入液层，引起反馈 不稳，刮擦样品。由于上述缺点，on-contact Mode的使用受到限制。 轻敲模式（Tapping Mode）： 优点：很好的消除了横向力的影响。降低了由吸附液层引起的力，图像分辨 率高，适于观测软、易碎、或胶粘性样品，不会损伤其表面。 缺点：比Contact Mode AFM 的扫描速度慢。
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非接触模式
• 非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面 上方5～10 nm 的距离处振荡。这时，样品与针尖 之间的相互作用由范德华力控制，通常为10 - 12 N ，样品不会被破坏，而且针尖也不会被污染， 特别适合于研究柔嫩物体的表面。这种操作模式 的不利之处在于要在室温大气环境下实现这种模 式十分困难。因为样品表面不可避免地会积聚薄 薄的一层水，它会在样品与针尖之间搭起一小小 的毛细桥，将针尖与表面吸在一起，从而增加尖 端对表面的压力。
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工作模式
• 原子力显微镜的工作模式是以针尖与样品之间的 作用力形式来分类的。主要有以下3种操作模式： • 接触模式（contact mode) • 非接触模式（ non - contact mode) • 和敲击模式( tapping mode）
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反馈系统
• 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一定的作用力。
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原子力显微镜
• 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） 来感测针尖与样品之间的相互作用，这作用力会 使微悬臂摆动，再利用激光将光照射在悬臂的末 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。
哈尔滨奥瑞德光电技术有限公司
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原子力显微镜（atomic force microscope）
品质部 2015-05-18
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原子力显微镜的基本原理 • 将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定 ，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表 面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表 面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫 描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬 臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力 的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏 运动。利用光学检测法或隧道电流检测法 ，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变 化，从而可以获得样品表面形貌的信息。
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原子力显微镜探针工作流程
• 原子力显微镜（atomic force microscope，简称AFM）利 用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间 的作用力，从而达到检测的目的，具有原子级的分辨率。
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原子力显微镜探针工作流程
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接触模式
• 从概念上来理解，接触模式是AFM最直接的成像 模式。正如名字所描述的那样，AFM 在整个扫描 成像过程之中，探针针尖始终与样品表面保持紧 密的接触，而相互作用力是排斥力。扫描时，悬 臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构 ，因此力的大小范围在10 - 10～10 - 6 N。若样 品表面柔嫩而不能承受这样的力，便不宜选用接 触模式对样品表面进行成像。
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位置检测部分
• 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，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反 射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，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SPM控制器作信号处理。
• 如上图所示，二极管激光器（Laser Diode）发出 的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂（Cantilever ）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（Detector）。在样品扫描 时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原 子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而 弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过 光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测 样品表面形貌的信息。
AURORA ConfidFra bibliotekntial-11-
敲击模式
• 敲击模式介于接触模式和非接触模式之间，是一 个杂化的概念。悬臂在试样表面上方以其共振频 率振荡，针尖仅仅是周期性地短暂地接触/ 敲击样 品表面。这就意味着针尖接触样品时所产生的侧 向力被明显地减小了。因此当检测柔嫩的样品时 ，AFM的敲击模式是最好的选择之一。一旦AFM 开始对样品进行成像扫描，装置随即将有关数据 输入系统，如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰顶 之间的最大距离等，用于物体表面分析。同时， AFM 还可以完成力的测量工作，测量悬臂的弯曲 程度来确定针尖与样品之间的作用力大小。
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原子力显微镜仪器结构
• 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
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力检测部分
• 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）来检测原子之间 力的变化量。微悬臂通常由一个一般100~500μm 长和大约500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制成。 微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品－针 尖间的相互作用力。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。
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三种模式的比较
• • • 接触模式（Contact Mode）： 优点：扫描速度快，是唯一能够获得“原子分辨率”图像的AFM垂直方向上有 明显变化的质硬样品，有时更适于用Contact Mode扫描成像。 缺点：横向力影响图像质量。在空气中，因为样品表面吸附液层的毛细作用 ，使针尖与样品之间的粘着力很大。横向力与粘着力的合力导致图像空间分 辨率降低，而且针尖刮擦样品会损坏软质样品（如生物样品，聚合体等）。 非接触模式（Non-Contact Mode）： 优点：没有力作用于样品表面。 缺点：由于针尖与样品分离，横向分辨率低；为了避免接触吸附层而导致针 尖胶粘，其扫描速度低于Tapping Mode和Contact Mode AFM。通常仅用于 非常怕水的样品，吸附液层必须薄，如果太厚，针尖会陷入液层，引起反馈 不稳，刮擦样品。由于上述缺点，on-contact Mode的使用受到限制。 轻敲模式（Tapping Mode）： 优点：很好的消除了横向力的影响。降低了由吸附液层引起的力，图像分辨 率高，适于观测软、易碎、或胶粘性样品，不会损伤其表面。 缺点：比Contact Mode AFM 的扫描速度慢。
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非接触模式
• 非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面 上方5～10 nm 的距离处振荡。这时，样品与针尖 之间的相互作用由范德华力控制，通常为10 - 12 N ，样品不会被破坏，而且针尖也不会被污染， 特别适合于研究柔嫩物体的表面。这种操作模式 的不利之处在于要在室温大气环境下实现这种模 式十分困难。因为样品表面不可避免地会积聚薄 薄的一层水，它会在样品与针尖之间搭起一小小 的毛细桥，将针尖与表面吸在一起，从而增加尖 端对表面的压力。
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工作模式
• 原子力显微镜的工作模式是以针尖与样品之间的 作用力形式来分类的。主要有以下3种操作模式： • 接触模式（contact mode) • 非接触模式（ non - contact mode) • 和敲击模式( tapping mode）
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反馈系统
• 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一定的作用力。
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原子力显微镜
• 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） 来感测针尖与样品之间的相互作用，这作用力会 使微悬臂摆动，再利用激光将光照射在悬臂的末 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。
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原子力显微镜（atomic force microscope）
品质部 2015-05-18
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原子力显微镜的基本原理 • 将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定 ，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表 面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表 面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫 描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬 臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力 的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏 运动。利用光学检测法或隧道电流检测法 ，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变 化，从而可以获得样品表面形貌的信息。