原子力显微镜AFM.ppt

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1、原子力显微镜AFM Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望AFMAFM的发明与发展的发明与发展显微镜的发展显微镜的发展n 光学显微镜光学显微镜n 高级显微镜高级显微镜光学显微镜光学显微镜n n16世纪末，荷兰的眼镜商Zaccharias Janssen,第一台复合式显微镜，倍数太低n nLeeuwenhoek磨制的单片显微镜的放大倍数将近300倍高级显微镜高级显微镜n n1938年，德国工程师Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上第一台透

2、射电子显微镜（TEM）n n1952年，英国工程师Charles Oatley制造出了第一台扫描电子显微镜（SEM）至此，电子显微镜的分辨率达到纳米级 n n1983年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜（STM）n n应用电子的“隧道效应”这一原理，对导体或半导体进行观测隧道效应：隧道效应：n n经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，

3、如果坡很低，不蹬自行车也骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。住，然后退回去。n n量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好像有一个隧道，故名隧道效应（像有一个隧道，故名隧道效应（quantum tunnelingquantum tunneling）。）。可见，宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽可见，

4、宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小，但在某些特丁的条件下宏观的隧道效因为隧穿几率极小，但在某些特丁的条件下宏观的隧道效应也会出现。应也会出现。n nSTM就是运用了“隧道效应”这一原理，如图：n n探针与样品之间的缝隙就相当于一个势垒，电子的隧道效应使其可以穿过这个缝隙，形成电流，并且电流对探针与样品之间的距离十分敏感，因此通过电流强度就可以知道到探针与样品之间的距离n nSTM的原理是电子的“隧道效应”，所以只能测导体和部分半导体n n1985年，IBM公司的Binn

5、ing和Stanford大学的Quate研发出了原子力显微镜（AFM），弥补了STM的不足原原 理理n n图图1 1、原子与原子之间的交互作用力因为彼、原子与原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离的不同而有所不同，其之间此之间的距离的不同而有所不同，其之间的能量表示也会不同。的能量表示也会不同。原子间范德华力n n在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间交互作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。所以在原子力显微镜中也利用斥力与吸引力的方式发展出两种操作模式：（1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜（contact AFM），探针与试片的距离约数个。（2）利用原子吸引

6、力的变化而产生表面轮廓为非接触式原子力显微镜（non-contact AFM），探针与试片的距离约数十到数百。n n在生物医学研究中，最常用的一种模式是敲击模式（tapping AFM）：在敲击模式中，一种恒定的驱使力使探针悬臂以一定的频率振动。当针尖刚接触样品时，悬臂振幅会减少到某一数值。在扫描过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒定，也就是说作用在样品上的力恒定，通过记录压电陶瓷管的移动得到样品表面形貌图。n n敲击模式的优越性：敲击模式尽管没有接触模式的分辨率高，但是敲击模式在一定程度上减小样品对针尖的粘滞现象，因为针尖与样品表面接触时，利用其振幅来克服针尖-样品间的粘附力。并且由于敲

7、击模式作用力是垂直的，表面材料受横向摩擦力和剪切力的影响都比较小，减小扫描过程中针尖对样品的损坏。所以对于较软以及粘附性较大的样品，尽量选用敲击模式。硬件架构：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。力检测部分：力检测部分：力检测部分：力检测部分：在原子力显微镜（在原子力显微镜（AFMAFM）的系统中，所要检测）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（统中是使用微小悬臂（cantilevercantilever）来检测原

8、子）来检测原子之间力的变化量。这微小悬臂有一定的规格，例之间力的变化量。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。式的不同，而选择不同类型的探针。n n位置检测部分：位置检测部分：位置检测部分：位置检测部分：在原子力显微镜（在原子力显微镜（AFMAFM）的系统中，当针尖与）的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂（cantilevercantilever）摆动，所

9、以当激光照射在）摆动，所以当激光照射在cantilevercantilever的末端时，其反射光的位置也会因为的末端时，其反射光的位置也会因为cantilevercantilever摆动而有所改变，这就造成偏移量的摆动而有所改变，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，以供控制器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供控制器作信号处理。作信号处理。n n 反馈系统：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

10、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。n n原子力显微镜（原子力显微镜（AFMAFM）便是结合以上三个部分来将）便是结合以上三个部分来将样品的表面特性呈现出来的：在原子力显微镜样品的表面特性呈现出来的：在原子力显微镜（AFMAFM）的系统中，使用微小悬臂（）的系统中，使用微小悬臂（cantilevercantilever）来感测针尖与样品之间的交互作用，测得作用力。来感测针尖与样品之间的交互作用，测得作用力。这作用力会使这作用力会使cantilevercantilever摆动，再利用激光将光照摆动，再利用激光将光照射在射在cantilevercantilever的

11、末端，当摆动形成时，会使反射的末端，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。影像的方式给呈现出来。n n原子力显微镜的应用nAFM可以满足多种不同样品的要求，用于多种系统的成像n量子点n生物分子n多聚体n单体的自组装沉积于云母片上的抗体分子的 AFM成像。空气中，室温。由于抗 体分子沉积于支持物的方向不同，而表现出几种形态。原子力显微镜对金的观测原子力显微镜对金的观测烟草花叶病毒扫描图烟草花叶病毒扫描图AFMAFM的缺点的缺点n n 受样品因素限制较大（不可避免）n n针尖易磨钝&受污染（磨损无法修复；污染清洗困难）n n 针尖样品间作用力较小