第五章--原子力显微镜ppt课件.ppt

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1、我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物第五章第五章 原子力显微镜原子力显微镜 Atomic Force Microscope Atomic Force Microscope _ _ AFMAFM 原于力显微镜与前几种显微镜相比有明显不原于力显微镜与前几种显微镜相比有明显不同，它用一个微小的探针来同，它用一个微小的探针来“摸索摸索”微观世界微观世界. . AFMAFM超越了光和电子波长对显微镜分辨率的限制，超越了光和电子波长对显微镜分辨率的限制，在立体三维上观察物质的形貌，并能获得探针与在立体三维上

2、观察物质的形貌，并能获得探针与样品相互作用的信息典型样品相互作用的信息典型AFMAFM的侧向分辨率的侧向分辨率(x(x，y y方向方向) )可达到可达到2nm2nm，垂直分辩牢，垂直分辩牢(Z(Z方向方向) )小于小于0.1 0.1 nmnmAFMAFM具有操作客易、样品准备简单、操作环具有操作客易、样品准备简单、操作环境不受限制、分辨率高等优点。境不受限制、分辨率高等优点。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物一、一、 原子力显微镜原理原子力显微镜原理 AFM AFM的原理较为简单，它是用微小探

3、针的原理较为简单，它是用微小探针“摸索摸索”样品表面来获得信息如图样品表面来获得信息如图3.13.1所示，当所示，当针尖针尖接近样接近样品时，针尖受到力的作用使悬臂发生偏转或振幅改品时，针尖受到力的作用使悬臂发生偏转或振幅改变变悬臂悬臂的这种变化经检测系统检测后转变成电信的这种变化经检测系统检测后转变成电信号传递给反馈系统和成像系统，记录扫描过程中一号传递给反馈系统和成像系统，记录扫描过程中一系列探针变化就可以获得样品表面信息图像下面系列探针变化就可以获得样品表面信息图像下面分别介绍检测系统、扫描系统和反馈控制系统。分别介绍检测系统、扫描系统和反馈控制系统。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东

4、西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 图图1 AFM1 AFM原理图原理图 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1 1 检测系统检测系统v 悬臂的偏转或振幅改变可以通过多种方法检测，悬臂的偏转或振幅改变可以通过多种方法检测，包括：光反射法、光干涉法、隧道电流法、电容包括：光反射法、光干涉法、隧道电流法、电容检测法等。目前检测法等。目前AFMAFM系统中常用的是激光反射检系统中常用的是激光反射检测系统，它具有简便灵敏的特点。激光反射检

5、测测系统，它具有简便灵敏的特点。激光反射检测系统由探针、激光发生器和光检测器组成系统由探针、激光发生器和光检测器组成. .2 2 探针探针v 探针是探针是AFMAFM检测系统的关键部分它由悬臂和检测系统的关键部分它由悬臂和悬臂末端的针尖组成随着精细加工技术的发展，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探针。人们已经能制造出各种形状和特殊要求的探针。悬臂是由悬臂是由Si Si或或Si3N4Si3N4经光刻技术加工而成的悬臂经光刻技术加工而成的悬臂的背面镀有一层金属以达到镜面反射。在接触式的背面镀有一层金属以达到镜面反射。在接触式AFMAFM中中V V形悬臂

6、是常见的一种类型形悬臂是常见的一种类型( (如图如图3.23.2所所示示) ) 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物v它的优点是具有低的垂直反它的优点是具有低的垂直反射机械力阻和高的侧向扭曲射机械力阻和高的侧向扭曲机械力阻悬臂的弹性系数机械力阻悬臂的弹性系数一般低于固体原于的弹性系一般低于固体原于的弹性系数，数， 悬臂的弹性常数与形状、悬臂的弹性常数与形状、大小和材料有关厚而短的大小和材料有关厚而短的悬臂具有硬度大和振动频率悬臂具有硬度大和振动频率高的特点高的特点商品化的悬臂一般长为商品化的悬臂

7、一般长为100200 m100200 m、宽、宽1040m1040m、厚、厚0.32m0.32m，弹性系数变化范围一般在几十，弹性系数变化范围一般在几十NmNm-1 -1到百分之几到百分之几NmNm-1 -1之间，共振频率一般大于之间，共振频率一般大于10kHz10kHz。探针末端的针尖一般。探针末端的针尖一般呈金字塔形或圆锥形，针尖的曲率半径与呈金字塔形或圆锥形，针尖的曲率半径与AFMAFM分辨率有直接关分辨率有直接关系一般商品针尖的曲率半径在几纳米到几十纳米范围系一般商品针尖的曲率半径在几纳米到几十纳米范围3 3 光电检测器光电检测器 AFMAFM光信号检测是通过光电检测器来完成的。激光由

8、光源发光信号检测是通过光电检测器来完成的。激光由光源发出照在金属包覆的悬臀上，经反射后进入光电二极管检测系出照在金属包覆的悬臀上，经反射后进入光电二极管检测系统然后，通过电子线路把照在两个二极管上的光量差转换成统然后，通过电子线路把照在两个二极管上的光量差转换成电压信号方式来指示光点位置。电压信号方式来指示光点位置。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物4 4 扫描系统扫描系统 AFMAFM对样品扫描的精确控制是靠扫描器来实现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的扫描器中装有压电转换

9、器压电转换器压电装置在压电装置在X X，Y Y，Z Z三个方向上精确控制样品或探针位置。目前构成扫描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钛锆酸铅器的基质材料主要是钛锆酸铅Pb(Ti,Zr)OPb(Ti,Zr)O3 3 制成的压制成的压电陶瓷材料压电陶瓷有压电效应，即在加电压时有电陶瓷材料压电陶瓷有压电效应，即在加电压时有收缩特性，并且收缩的程度与所加电压成比例关收缩特性，并且收缩的程度与所加电压成比例关系压电陶瓷能将系压电陶瓷能将1mv1000V1mv1000V的电压信号转换成十的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。几分之一纳米到几微米的位移。 我吓了一跳，

10、蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物5 5 反馈控制系统反馈控制系统 AFMAFM反馈控制是由反馈控制是由电子线路电子线路和和计算机系统计算机系统共同完成的。共同完成的。AFMAFM的运行是在高速、功能强大的计算机控制下来实现的。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：控制系统主要有两个功能：(1)(1)提供控制压电转换器提供控制压电转换器X-YX-Y方向方向扫描的驱动电压；扫描的驱动电压；(2)(2)在恒力模式下维持来自显微镜检测环路在恒力模式下维持来自显微镜检测环路输入模

11、拟信号在一恒定数值计算机通过输入模拟信号在一恒定数值计算机通过A/DA/D转换读取比较转换读取比较环路电压环路电压( (即设定值与实际测量值之差即设定值与实际测量值之差) )根据电压值不同，根据电压值不同，控制系统不断地输出相应电压来调节控制系统不断地输出相应电压来调节Z Z方向压电传感器的伸方向压电传感器的伸缩，以纠正读入缩，以纠正读入A/DA/D转换器的偏差，从而维持比较环路的输转换器的偏差，从而维持比较环路的输出电压恒定。出电压恒定。 电子线路系统起到计算机与扫描系统相连接的作用，电子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，

12、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。并构成控制针尖和样品之间距离的反馈系统。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物二、二、 原子力显微镜的分辨率原子力显微镜的分辨率v 原子力显微镜分辨率包括侧向分辨率和垂直分原子力显微镜分辨率包括侧向分辨率和垂直分辨率图像的侧向分辨率决定于两种因素：采集辨率图像的侧向分辨率决定于两种因素：采集团像的团像的步宽步宽(Step size)(Step size)和和针尖形状针尖形状1. 1. 步宽因素步宽因素v

13、原子力显微镜图像由许多点组成，其采点的形原子力显微镜图像由许多点组成，其采点的形式如图式如图3.33.3所示扫描器沿着齿形路线进行扫描，所示扫描器沿着齿形路线进行扫描，计算机以一定的步宽取数据点以每幅图像取计算机以一定的步宽取数据点以每幅图像取512x 512512x 512数据点计算，扫描数据点计算，扫描1m x1m1m x1m尺寸图像尺寸图像得到步宽为得到步宽为2nm(1m2nm(1m512)512)高质量针尖可以提供高质量针尖可以提供12nm12nm的分辨率由此可知，在扫描样品尺寸超的分辨率由此可知，在扫描样品尺寸超过过1m x1m1m x1m时，时，AFMAFM的侧向分辨率是由采集图的

14、侧向分辨率是由采集图像的步宽决定的。像的步宽决定的。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2. 2. 针尖因素针尖因素 AFMAFM成像实际上是针尖形状与表面形貌作用的结果，针尖成像实际上是针尖形状与表面形貌作用的结果，针尖的形状是影响侧向分辨率的关键因素。针尖影响的形状是影响侧向分辨率的关键因素。针尖影响AFMAFM成像主成像主要表现在两个方面：针尖的曲率半径和

15、针尖侧面角，要表现在两个方面：针尖的曲率半径和针尖侧面角，曲率半径曲率半径决定最高侧向分辨率决定最高侧向分辨率，而探针的侧面角决定最高表面比率特征，而探针的侧面角决定最高表面比率特征的探测能力如图的探测能力如图3.43.4所示，曲率半径越小，越能分辨精细结所示，曲率半径越小，越能分辨精细结构构图图3,4 3,4 不同曲率半径的针尖对球形物成像时的扫描路线不同曲率半径的针尖对球形物成像时的扫描路线我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 当针尖有污染时会导致当针尖有污染时会导致针尖变钝针尖变钝( (图

16、图4)4)，使得图像灵敏度下，使得图像灵敏度下降或失真，但钝的针尖或污染的针尖不影响样品的垂直分辨降或失真，但钝的针尖或污染的针尖不影响样品的垂直分辨率样品的陡峭面分辨程度决定于针尖的侧面角大小侧面角率样品的陡峭面分辨程度决定于针尖的侧面角大小侧面角越小，分辨陡峭样品表面能力就越强，图越小，分辨陡峭样品表面能力就越强，图5 5说明了针尖侧面角说明了针尖侧面角对样品成像的影响。对样品成像的影响。图图4 4 针尖污染时成像路线和相应形貌图针尖污染时成像路线和相应形貌图我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的

17、生物图5 不同侧面角针尖对样品表面成像路线影响我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物三、三、 原于力显微镜基本成像模式原于力显微镜基本成像模式v 原子力显微镜有四种基本成像模式，它们分别原子力显微镜有四种基本成像模式，它们分别是是接触式接触式(Contact mode)(Contact mode)、非接触式非接触式(non-contact (non-contact mode)mode)、敲击式敲击式(tapping mode)(tapping mode)和和升降式升降式(lift (lift mo

18、de)mode)1. 1. 接触成像模式接触成像模式v 在接触式在接触式AFMAFM中，探针与样品表面进行中，探针与样品表面进行“软接软接触触”当探针逐渐靠近样品表面时，探针表面原子当探针逐渐靠近样品表面时，探针表面原子与样品表面原子首先相互吸引，一直到原子间电子与样品表面原子首先相互吸引，一直到原子间电子云开始相互静电排斥如图云开始相互静电排斥如图7 7所示。所示。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快

19、，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 这种静电排斥随探针与样品表面原子进一步靠这种静电排斥随探针与样品表面原子进一步靠近，逐渐抵消原子间的吸引力当原子间距离小于近，逐渐抵消原子间的吸引力当原子间距离小于1nm1nm，约为化学键长时，范德华力为，约为化学键长时，范德华力为0 0当合力为正当合力为正值值( (排斥排斥) )时，原子相互接触由于在接触区域范德时，原子相互接触由于在接触区域范德华力曲线斜率很高，范德华斥力几乎抵消了使探针华力曲线斜率很高，范德华斥力几乎抵消了使探针进一步靠近样品表面原子的推力当探针弹性系数进一步靠近样品表面原子的推力当探针弹性系数很小时，很小时，悬臂发生弯曲通过检

20、测这种弯曲就可以悬臂发生弯曲通过检测这种弯曲就可以进行样品形貌观察进行样品形貌观察。假如设计很大弹性系数的硬探。假如设计很大弹性系数的硬探针给样品表面施加很大的作用力，探针就会使样品针给样品表面施加很大的作用力，探针就会使样品表面产生形变或破坏样品表面这时就可以得到样表面产生形变或破坏样品表面这时就可以得到样品力学信息或对样品表面进行修饰品力学信息或对样品表面进行修饰我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2. 2. 非接触成像模式非接触成像模式v 非接触式非接触式AFMAFM中，中，探针以特定的频

21、率在样品表面附近振探针以特定的频率在样品表面附近振动探针和样品表面距离在几纳米到数十纳米之间动探针和样品表面距离在几纳米到数十纳米之间这一距这一距离范围在范德华力曲线上位于非接触区域在非接触区域，离范围在范德华力曲线上位于非接触区域在非接触区域，探针和样品表面所受的总力很小，通常在探针和样品表面所受的总力很小，通常在1010-12-12NN左右。在非接左右。在非接触式触式AFMAFM中，探针以接近于其自身共振频率中，探针以接近于其自身共振频率 ( (一般为一般为100kHz100kHz到到400kHz)400kHz)及几纳米到数十纳米的振幅振动当探针接近样及几纳米到数十纳米的振幅振动当探针接近

22、样品表面时，探针共振频率或振幅发生变化检测器检测到这种品表面时，探针共振频率或振幅发生变化检测器检测到这种变化后，把信号传递给反馈系统，然后反馈控制回路通过移变化后，把信号传递给反馈系统，然后反馈控制回路通过移动扫描器来保持探针共振频率或振幅恒定，进而使探针与样动扫描器来保持探针共振频率或振幅恒定，进而使探针与样品表面平均距离恒定，计算机通过记录扫描器的移动获得样品表面平均距离恒定，计算机通过记录扫描器的移动获得样品表面形貌图。品表面形貌图。v 非接触式非接触式AFMAFM不破坏样品表面不破坏样品表面，适用于较软的样品对于，适用于较软的样品对于无表面吸附层的刚性样品而言非接触式无表面吸附层的刚

23、性样品而言非接触式AFMAFM与接触式与接触式AFMAFM获得的表面形貌图基本相同但对于表面吸附凝聚水的刚性获得的表面形貌图基本相同但对于表面吸附凝聚水的刚性样品，情况则有所不同接触式样品，情况则有所不同接触式AFMAFM可以穿过液体层获得刚可以穿过液体层获得刚性样品表面形貌图，而非接触式性样品表面形貌图，而非接触式AFMAFM则得到液体表面形貌图。则得到液体表面形貌图。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3. 3. 敲击成像模式敲击成像模式 敲击式敲击式AFMAFM与非接触式与非接触式AFMA

24、FM比较相似，但它比比较相似，但它比非接触式非接触式AFMAFM有更近的样品与针尖距离和非接触有更近的样品与针尖距离和非接触式式AFMAFM一样，一样，在敲击模式中，一种恒定的驱动力使在敲击模式中，一种恒定的驱动力使探针悬臂以一定的频率振动探针悬臂以一定的频率振动( (一般为几百千赫一般为几百千赫) )振振动的振幅可以通过检测系统检测当针尖刚接触到动的振幅可以通过检测系统检测当针尖刚接触到样品时，悬臂振幅会减少到某一数值在扫描样品样品时，悬臂振幅会减少到某一数值在扫描样品的过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒的过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒定当针尖扫描到样品突出区域时悬臂共振受到

25、定当针尖扫描到样品突出区域时悬臂共振受到阻碍变大，振幅随之减小相反，当针尖通过样品阻碍变大，振幅随之减小相反，当针尖通过样品凹陷区域时，悬臀振动受到的阻力减小，振幅随之凹陷区域时，悬臀振动受到的阻力减小，振幅随之增加。悬臂振幅的变化经检测器检测并输入控制器增加。悬臂振幅的变化经检测器检测并输入控制器后，反馈回路调节针尖和样品的距离，使悬臂振幅后，反馈回路调节针尖和样品的距离，使悬臂振幅保持恒定反馈调节是靠改变保持恒定反馈调节是靠改变Z Z方向上压电陶瓷管方向上压电陶瓷管电压完成的。当针尖扫描样品时，通过记录压电陶电压完成的。当针尖扫描样品时，通过记录压电陶瓷管的移动就得到样品表面形貌图。瓷管的

26、移动就得到样品表面形貌图。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 敲击式敲击式AFMAFM与接触式和非接触式与接触式和非接触式AFMAFM相比有明显的优点相比有明显的优点. .敲击式敲击式AFMAFM有效防止了样品对针尖的粘滞现象和针尖对样品的有效防止了样品对针尖的粘滞现象和针尖对样品的损坏损坏如图如图8 8所示，当遇到固定不牢的样品时，用接触式所示，当遇到固定不牢的样品时，用接触式AFMAFM成像易使样品因摩擦力和粘滞力被拉起，从而产生假象用非成像易使样品因摩擦力和粘滞力被拉起，从而产生假象用非

27、接触式接触式AFMAFM成像时，因其分辨率低，所以不能得到样品的精细成像时，因其分辨率低，所以不能得到样品的精细形貌敲击式形貌敲击式AFMAFM集中了接触式分辨率高和非接触式对样品损集中了接触式分辨率高和非接触式对样品损害小的优点，得到了既反映真实形貌又不破坏样品的图像敲害小的优点，得到了既反映真实形貌又不破坏样品的图像敲击式击式AFMAFM的另一优点是它的线性操作范围宽，这为反馈系统提的另一优点是它的线性操作范围宽，这为反馈系统提供了足够高的稳定性，从而保证了样品检测的重现性供了足够高的稳定性，从而保证了样品检测的重现性我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界

28、里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物四、四、 原子力显微镜工作环境原子力显微镜工作环境 原子力显微镜受工作环境限制较少，它可以在超高真空、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。气相、液相和电化学的环境下操作。(1)(1)真空环境真空环境：最早的扫描隧道显微镜：最早的扫描隧道显微镜(STM)(STM)研究是在超高真空下研究是在超高真空下进行操作的。后来，随着进行操作的。后来，随着AFMAFM的出现，人们开始使用真空的出现，人们开始使用真空AFMAFM研究固体表面真空研究固体表面真空AFMAFM避免了大气中杂质和水膜的干扰，但

29、避免了大气中杂质和水膜的干扰，但其操作较复杂。其操作较复杂。 (2)(2)气相环境气相环境：在气相环境中，：在气相环境中，AFMAFM操作比较容易，它是广泛采用操作比较容易，它是广泛采用的一种工作环境因的一种工作环境因AFMAFM操作不受样品导电性的限制，它可以操作不受样品导电性的限制，它可以在空气中研究任何固体表面，气相环境中在空气中研究任何固体表面，气相环境中AFMAFM多受样品表面水多受样品表面水膜干扰。膜干扰。(3)(3)液相环境液相环境：在液相环境中：在液相环境中AFMAFM是把探针和样品放在液池中工是把探针和样品放在液池中工作，它可以在液相中研究样品的形貌液相中作，它可以在液相中研

30、究样品的形貌液相中AFMAFM消除了针尖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力液相AFMAFM的应用十分广阔，它包括生物体系、腐蚀或任一的应用十分广阔，它包括生物体系、腐蚀或任一液固界面的研究液固界面的研究(4)(4)电化学环境电化学环境：正如超高真空系统一样，电化学系统为：正如超高真空系统一样，电化学系统为AFMAFM提供提供了另一种控制环境电化学了另一种控制环境电化学AFMAFM是在原有是在原有AFMAFM基础上添加了电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解池、双恒电位仪和相应的应用软件电化学A

31、FMAFM可以现场研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。有机和生物分子在电极表面的沉积和形态变化等。 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物五、五、 与与AFMAFM相关的显微镜及技术相关的显微镜及技术 AFMAFM能被广泛应用的一个重要原因是它具有开放性。在基能被广泛应用的一个重要原因是它具有开放性。在基本本AFMAFM操作系统基础上，通过改变探针、成像模式或针尖与操作系统基

32、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AFMAFM相关的显微镜和技术：相关的显微镜和技术：1 . 1 . 侧向力显微镜侧向力显微镜(Lateral Force microscopy(Lateral Force microscopy，LFM)LFM)2. 2. 磁力显微镜磁力显微镜(Magnetic Force microscopy(Magnetic Force microscopy，MFM)MFM)3. 3. 静电力显微镜静电力显微镜(Eelectrostatic Force microscopy

33、(Eelectrostatic Force microscopy，EFM)EFM)4. 4. 化学力显微镜化学力显微镜(Chemical Force microscopy(Chemical Force microscopy，CFM)CFM)5. 5. 力调置显微镜力调置显微镜(Force modulation microscopy(Force modulation microscopy，FMM)FMM)6. 6. 相检测显微镜相检测显微镜(Phase detection microscopy(Phase detection microscopy，PHD)PHD)7. 7. 纳米压痕技术纳米压痕

34、技术(nanoindentation)(nanoindentation)8. 8. 纳米加工技术纳米加工技术(nanolithography)(nanolithography)我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 通常人们用通常人们用AFMAFM扫描样品表扫描样品表面时尽可能对样品加很小的力，面时尽可能对样品加很小的力，这样可以避免对样品表面的损这样可以避免对样品表面的损害害. .然而，另一极端想法是给样然而，另一极端想法是给样品加足够大的力，从而达到对品加足够大的力，从而达到对样品微观表面进行

35、修饰的目样品微观表面进行修饰的目的这种想法使得纳米加工技的这种想法使得纳米加工技术成为可能现在人们用术成为可能现在人们用AFMAFM刻出各种纳米字刻出各种纳米字( (图图3.9)3.9)并用并用STMSTM对原子进行搬运这种技对原子进行搬运这种技术大大开拓了人们的机械操纵术大大开拓了人们的机械操纵视野，它对纳米科学有巨大的视野，它对纳米科学有巨大的潜在作用潜在作用我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物六、六、 AFMAFM假象假象 在所有显微学技术中，在所有显微学技术中，AFMAFM图像的解释相图

36、像的解释相对来说是容易的。光学显微镜和电子显微镜对来说是容易的。光学显微镜和电子显微镜成像都受电磁衍射的影响，这给它们辨别三成像都受电磁衍射的影响，这给它们辨别三维结构带来困难维结构带来困难AFMAFM可以弥补这些不足，可以弥补这些不足，在在AFMAFM图像中峰和谷明晰可见图像中峰和谷明晰可见AFMAFM的另一的另一优点是光或电对它成像基本没有影响，优点是光或电对它成像基本没有影响，AFMAFM能测得表面的真实形貌能测得表面的真实形貌尽管尽管AFMAFM成像简单，成像简单，AFMAFM本身也有假象存在相对来说，本身也有假象存在相对来说，AFMAFM的的假象比较容易验证下面介绍一些假象情况：假象

37、比较容易验证下面介绍一些假象情况：我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 (1)(1)针尖成像：针尖成像：AFMAFM中大多数假象源于针尖成像如图中大多数假象源于针尖成像如图3.103.10所示，所示，针尖比样品特征尖锐时，样品特征就能很好地显现出来。相针尖比样品特征尖锐时，样品特征就能很好地显现出来。相反，反，当样品比针尖更尖时，假象就会出现当样品比针尖更尖时，假象就会出现，这时成像主要为，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针尖特征高表面率的针尖可以减少这种假象发生我吓了一

38、跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 (2)(2)钝的或污染的针尖产生假象钝的或污染的针尖产生假象：当针尖污染或有磨损时，：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假象的特征是整幅图像都有同样的特征( (图图11)11)。图图11 11 钝的或污染的针尖产生假象钝的或污染的针尖产生假象我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错

39、：表里边有一个活的生物(3)(3)双针尖或多针尖假象双针尖或多针尖假象：这种假象是由于一个探针：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，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多个针尖依次扫描样品而得到重复图像( (图图12)12)图图12 12 双针尖或多针尖假象双针尖或多针尖假象我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 (4)(4)样品上污物引起的假象样品上污物引起的假象：当样品上的污物与基底吸：当样品上的污物与基底吸附不牢时，污物可能校正

40、在扫描的针尖带走并随附不牢时，污物可能校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针尖运动，致使大面积图像模糊不清( (图图3.13)3.13)图图3.13 3.13 样品上污物引起的假象样品上污物引起的假象我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物七、七、 AFMAFM的应用的应用1. 1. 形貌观察形貌观察 AFMAFM可以对样品表面形态、纳米结构、链构象等方面进行研究。可以对样品表面形态、纳米结构、链构象等方面进行研究。AFM image of porous Al2O3 templa

41、te SEM image of porous Al2O3 template 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物AFM (a) and SEM (b) image of Polystyrene on porous Al2O3 template（a） (b)我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2 . AFM2 . AFM在高分子科学方面的应用在高分子科学方面的应用 AFMAFM在高分子方面的应用起源

42、于在高分子方面的应用起源于19881988年，如今，年，如今，AFMAFM已经成已经成为高分子科学的一个重要研究手段。为高分子科学的一个重要研究手段。AFMAFM对高分子的研究发展对高分子的研究发展十分迅速、十分迅速、(1) (1) 高分子表面形貌高分子表面形貌和和纳米结构纳米结构的研究的研究 图图3.113.11所示为常规的所示为常规的AFMAFM在高在高分子方面的应用高分子的形貌分子方面的应用高分子的形貌可以通过接触式可以通过接触式AFMAFM、敲击式、敲击式AFMAFM来研究。接触式来研究。接触式AFMAFM研究形研究形貌的分辨率与针尖和样品接触面貌的分辨率与针尖和样品接触面积有关。一般

43、来说，针尖与样品积有关。一般来说，针尖与样品的接触尺寸为几纳米，接触面积的接触尺寸为几纳米，接触面积可以通过调节针尖与样品接触力可以通过调节针尖与样品接触力来改变，接触力越小，接触面积来改变，接触力越小，接触面积就越小；同时也减少了针尖对样就越小；同时也减少了针尖对样品的破坏为了获得高分辨高分品的破坏为了获得高分辨高分子图像，人们用各种方法来对样子图像，人们用各种方法来对样品进行微力检测。品进行微力检测。 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 在空气中扫描样品时，由于水膜的存在使得样品与针尖在空

44、气中扫描样品时，由于水膜的存在使得样品与针尖有较强的毛细作用，达就加大了针尖与样品的表面作用力。有较强的毛细作用，达就加大了针尖与样品的表面作用力。为了消除毛细作用，人们提出为了消除毛细作用，人们提出在液相中扫描样品在液相中扫描样品可得到几纳可得到几纳牛的扫描力。牛的扫描力。 (2) AFM(2) AFM对高分子材料纳米机械性能的研究对高分子材料纳米机械性能的研究 扫描探针技术是研究高分子材料纳米范围机械性能的强扫描探针技术是研究高分子材料纳米范围机械性能的强有力工具。在接触式有力工具。在接触式AFMAFM中以不同的力扫描样品可以得中以不同的力扫描样品可以得到样品机械性能的信息高分子材料弹性模

45、量的变化范围从到样品机械性能的信息高分子材料弹性模量的变化范围从几几MPaMPa到几到几GPaGPa，这就需要根据样品的不同性质来选样低力，这就需要根据样品的不同性质来选样低力或高力对样品成像图或高力对样品成像图3.123.12为为在水中拉伸在水中拉伸PEPE条带施加不同力条带施加不同力时获得的样品变形图像时获得的样品变形图像在强力扫描样品时，可以看到沿纤在强力扫描样品时，可以看到沿纤维走向有以维走向有以25nm25nm为周期的明暗变化。为周期的明暗变化。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物我吓

46、了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物(3) (3) 高分子组分分布研究高分子组分分布研究 许多高分子材料由不均一相组成，因此研究相的分布可以给许多高分子材料由不均一相组成，因此研究相的分布可以给出高分子材料许多重要的信息。如出高分子材料许多重要的信息。如图图3.133.13增韧塑料是由两种不同增韧塑料是由两种不同高分子材料和橡胶颗粒共混而成高分子材料和橡胶颗粒共混而成的，其高度图和相图有明显的不的，其高度图和相图有明显的不同相图中不仅可以分辨出两种不同高分子组分，而且同相图中不仅可以分辨出两种不同高

47、分子组分，而且可以见到约可以见到约1nm1nm尺寸的橡胶颗粒尺寸的橡胶颗粒我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 3. AFM3. AFM在在生物大分子生物大分子中的应用中的应用 AFMAFM是研究生物大分子强是研究生物大分子强有力的工具。生物大分子不有力的工具。生物大分子不同于一般高分子聚合物它同于一般高分子聚合物它在生物体中多以单个分子存在生物体中多以单个分子存在，因此容易得到单个分子在，因此容易得到单个分子的形貌图像，单个生物分子的形貌图像，单个生物分子的三维形貌及动力学性质研的三维形貌及动力学性质研究对解释生命现象有不可估究对解释生命现象有不可估量的作用如今人们用量的作用如今人们用AFMAFM研究各种生物分子，如研究各种生物分子，如DNADNA、蛋白质、抗原抗体分子及其蛋白质、抗原抗体分子及其他一些重要分子。他一些重要分子。