原子力显微镜(AFM)原理及应用讲解

1985年，IBM公司的Binning 和Stanford大学的Quate研发 出了原子力显微镜（AFM）， 弥补了STM的不足，可以用 来测量任何样品（无论导电 性与否）的表面。
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AFM的结构简图
AFM针尖
AFM利用一个对微弱力极敏感的、在其一端带有一微小针尖的微悬臂，来代替STM 隧道针尖，通过探测针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的（右上图）。
AFM介绍
讲解人：xxx
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AFM起源：
什么是AFM？
AFM全称Atomic Force Microscope，即原子力显微镜，它是继扫描隧 道显微镜（Scanning Tunneling Microscope）之后发明的一种具有原子级高分 辨的新型仪器，可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物 理性质包括形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵。
原子力显微镜就是利用原子之间微妙的关系 来把原子样子给呈现出来。
4 AFM的工作过程
5 AFM的硬件结构
• 力检测系统
在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。
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AFM工作原理
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（Van Der Waals Force）作用来呈现样品的表面特性。 假设两个原子一个是在悬臂的探针尖 端，另一个是在样本的表面，它们之间的作 用力会随距离的改变而变化，其作用力与距 离的关系如右图所示，当原子与原子很接近 时，彼此电子云斥力的作用大于原子核与电 子云之间的吸引力作用，所以整个合力表现 为斥力的作用，反之若两原子分开有一定距 离时，其电子云斥力的作用小于彼此原子核 与电子云之间的吸引力作用，故整个合力表 现为引力的作用。
7 AFM的针尖的种类
8 试验常用的类型
实验室购买的AFM针尖 （model：TESPA）及工作环 境。
注：实验测试一般常用自 动模式，如需用其他模式， 需要提前跟老师预约申请。
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AFM测试样品台解析
AFM针尖
AFM样品测试台
样品台
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AFM制样要求
样品台
样品 底座吸盘 双面胶带 AFM制样流程
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相位移模式
作为轻敲模式的一项重要扩展技术，相移模式(相位移模式)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。因此利用相 移模式(相位移模式)，可以在纳米尺度上获得样品表面局域性质的丰富信息。 迄今相移模式(相位移模式)已成为原子力显微镜的一种重要检测技术。
6 AFM的集中工作模式
• 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。
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轻敲模式：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。 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，扫描成像时针尖对样品进行“敲击”，两者间只有瞬间接触， 能有效克服接触模式下因针尖的作用力，尤其是横向力引起的样品损伤，适合 于柔软或吸附样品的检测。
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AFM的系统中，使用微小悬臂来感测针尖与样 品之间的交互作用，这作用力会使微悬梁摆动，再利用激光将光照射在微悬梁的末端，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。
测试
注：AFM制样时，对样品导电与否没有要求，因此测量范围比较广泛。

AFM测试及结果分析
GO的AFM图样
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AFM的其他应用
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。
Thank you for your attention !
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位置检测部分：
在AFM的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之 后，会使得悬臂摆动，所以当激光照射在悬臂的末端 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。
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反馈系统：
在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。