原子力显微镜下

1在材料科学方面，可以使用原子力显微镜对 材料表面进行扫描，观察样品表面粗糙情况或 波纹情况，为样品表面膜性能提供信息，且探 针不会对样品表面造成损伤。


2在生物科学方面，原子力显微镜检测生物样 品具有制备样品简单，样品无需特殊处理，能 在多种环境中操作。因此，可以使用原子力显 微镜对生物分子扫描成像，观察细胞的动态信 息，还可以对生物分子进行纳米操作。



AFM在膜技术中的应用包括以下几个方面 1)膜表面形态观察与测定，确定表面粗糙度； 2)膜表面结构观察与测定，确定孔结构、孔 尺寸、孔径分布 3)膜表面摩擦力测定，确定摩擦系数； 4)膜表面弹性测定，确定膜弹性力大小； 5)膜电化学特性研究，确定表面电荷分布和表 面电势； 6)成膜机理研究，探寻膜制备过程中相分离机 理与不同形态膜表面之问的关系。
3光栅的纳米结构图像

我们对一维标准光栅进行了三种不同范围的扫 描实验，在三幅图像中分别应该存在8，4，2 个光栅周期，正如我们在扫描图像中所见到的 。实验结果表明本系统精确无误的良好性能。
快速成像
AFM能对样品进行快速扫描成像。传统AFM在 快速扫描中会出现图像的拉伸，导致成像质量降 低。经测试，对400X400像素的图像，扫描速度 最快可以达到15行／秒。 对于AFM系统，同等清晰度下，扫描所得图像的 分辨率越低，扫描的速度越快。对于某些应用， 可以在大的视场中使用较低分辨率的快速扫描， 观察样品表面的变化，然后对于感兴趣的部分进 行高分辨率的慢速扫描。

形貌图中亮点对应着位相图中电压值较高点，暗 区域对应的电压值较低。这可以解释为形貌图中 亮点表示该点的粗糙度较大，这样针尖在该点受 到的摩擦力和粘连相对要大，压电陶瓷驱动电压 变化也大；暗区域表示该区域相对平整，针尖在 该区域受到的摩擦力和粘连相对要小，压电陶瓷 驱动电压变化也就要小。同时也可以看出位相图 比形貌图要反映出更多的银胶粒子的信息。鉴于 位相成象模式有更高的细节分辩能力，众多扫描 探针显微镜开发商都竟相开展了利用位相图来用 作表面检测的研究。
慢速高分辨率扫描成像示出更多的细节
随着扫描速度的提升，图像的拉伸变形越来 越严重

随着扫描速度的提升，图像的拉伸变形越来越 严重，实际上当速度达到1．00s每幅时，扫描 范围已经比1．59m要小。结果显示在2．00s 每幅时仍能保持较好的在大的视场中使用较低 分辨率的快速扫描，观察样品表面的变化，然 后对于感兴趣的部分进行高分辨率的慢速扫描 的新方法，其应用将会越来越广泛。


STM对工作环境的要求非常的低。STM可以 适应的工作温度范围是其他显微技术都无法 企及的，低可以到绝对零度，高可以达到上千 摄氏度。
原子力显微镜


AFM目前可以测量样品表面许多性质，最主要 的应用是测试样品表面形貌。 AFM的应用领域远远超过STM，它不仅有和 STM相同的分辨率，还能完成绝缘物质在内各 种样品的测试。当使用STM测定绝缘物质时， 必须在样品表面镀一层导电薄膜，导电薄膜会 使样品表面发生许多微细变化，这样会导致观 察结果和样品表面的实际形状有一定的出入.
Atomic Force Microscopy 原子力显微镜 11
原子力显微镜的应用
高分子材料 生物学研究 膜科学
扫描隧道显微镜

扫描隧道显微镜的水平分辨率和垂直分辨 率分别为0.04nm及0.01nm 除了能够观测样品表面单个原子结构外，STM 还能检测样品表面的扫描隧道谱，所以能够利 用STM来研究样品的电子状态和化学结构。
2AFM技术在生物学研究中的应用

普通的电子显微镜对于生物膜的形成、发展、 材料的表面特征和腐蚀形貌等不能很好表征。
AFM技术在生物学研究中的优点


1.AFM不仅能在分子级水平上观察试样，而且 能量化材料的表面特征信息． 2.其破坏性较其它生物学常用技术(如电子显微 镜)要小得多 3.AFM能在多种环境(包括空气、液体和真空) 中运作，生物分子可在生理条件下直接成像， 也可对活细胞进行实时动态观察


3在信息领域，可利用原子力显微镜的探针进 行纳米压痕，以实现高密度信息存储。利用探 针在样品表面以轻敲形成表面的压痕，完成写 入信息过程 4在制造领域，实现基于原子力显微镜的纳米 刻蚀研究。在量子计算机方面，基于原子力五 星级的操作技术可应用于离子阱、量子点操作 的研究。
1高分子材料的高分辨率扫描成像 实验

本节分别对多孔氧化铝、二维光栅和金属玻璃 进行了慢速高分辨率的扫描成像实验，成功获 得样品表面微纳米结构图，实验结果表明该系 统具有传统AFM分辨率高、重复性好等优良性 能。
1多孔氧化铝的扫描成像

多孔氧化铝是一种受到广泛关注的纳米测量样 品。它是一个很好的模板，可以用来制作纳米 尺度的各种纳米器件，包括电子的、光电子和 磁性的器件而且，它的纳米尺寸孔具有很大的 长径比(长度和直径的比值)，这种有序微小的 结构是天然形成的，很难用光刻实现。
原子力显微镜在膜科学中的应用

1988年AFM用于聚合膜的表面研究。较其它 膜检测工具，AFM应用广泛，优势：可在大气 和水溶液中研究膜的表面形态，精确测定其表 面粗糙度及孔径分布，还可在电解质溶液中测 定膜表面的电荷性质，实时测定膜表面与胶体 颗粒之间的相互作用力。因此AFM已经成为膜 科学技术发展和研究的基本手段.

自STM问世以来，人们一直期望着能够准确地 表达出绝缘物质表面的真实形貌，而AFM就是 专为满足这些需求而出现的。AFM的实用化标 志着物质表面检测手段的重大革新，是微纳米 检测发展史上又一里程碑。

原子力显微镜自问世以来，由于其测量精度较 高，在纳米科学、材料、化工、生物等领域得 到了广泛的应用。
结论

扫描范围缩小，图像表面粗糙度数值变小；扫 描速率与平均粗糙度成开口向下的抛物线关系 ；好的图像并不一定要用大像素参数来进行成 象扫描获得等结论。
SEM和AFM对镀银薄膜表面扫描实
验


AFM系统对镀银薄膜表面的扫描成像。AFM 分辨率高，在银膜像中，能够显示出很多SEM 无法显示的细节，如银纳米颗粒的形状、银膜 的均匀性，银膜的毛刺等。 从和SEM对比实验可以得出，平板扫描式的 AFM扫描获得的样品图像的分辨率、清晰度、 对比度都理想。

本系统扫描多孔氧化铝所得图像如图所示.图 像大小为400x400像素。右边为标注后多孔氧 化铝的AFM三维立体图像。由图中可以看到， 该多孔氧化铝样品的纳米孔径排列均匀有序， 清晰有致。这里采用的是慢速扫描模式，获得 图像的时间约在2分钟左右
2金属玻璃的扫描成像

金属玻璃的扫描成像结果如图，图像大小为 400×400像素。由图中可以看到，金属玻璃 的起伏高度很小，只有几十纳米，表面粗糙度 较低。
银胶薄膜样品成象


(a)一(d)图为银胶薄膜扫描尺寸分别为55微米×55微米、 15微米×15微米、1．6微米×1．6微米、0．55微米X0 ．55微米时的表面形貌图，其对应平均表面粗糙度分别为 1258纳米、874纳米、221纳米、113纳米。从图上可以看 出银胶体粒子成团簇，亮点对应的是该处团簇较为集中， 而颜色成黑色的区域对应的是该处可能为基底，没有银胶 体粒子分布。 随着扫描尺寸的逐步缩小，这种现象表现得愈发明显，(c) 图可以清晰地看到银胶体粒子相互叠加在一起的现象。


4.AFM能提供生物分子和生物表面的分子／亚 分子分辨率的三维图像 5.AFM能对单个生物分子进行操纵，由原子力 显微镜(AFM)获得的信息还能与其它的分析技 术和显微镜技术互补．
用AFM观察DNA显微镜在膜科学中的应用

AFM出现前，电子显微镜是微电子学的标准研 究工具，它的分辨率可以达到几个纳米量级。 但是要求在样品表面涂覆金属并在真空中成象 ，三维分辩能力差，而且发射的高能电子可会 损坏样品而造成偏差。尤其是对活性样品电子 显微镜完全不能胜任。而AFM分辨率可以达到 原子量级，且对操作环境和样品制备没有特殊 的要求，其在膜技术中的应用自然就更为普遍 和广泛。