现代材料分析方法原子力显微镜学习教案.pptx

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1、现代现代(xindi)材料分析方法原子力显微材料分析方法原子力显微镜镜第一页，共35页。一、原子力显微镜原理一、原子力显微镜原理(yunl)(yunl)AFM AFM AFM AFM的原理较为简单，它是用微小探针的原理较为简单，它是用微小探针的原理较为简单，它是用微小探针的原理较为简单，它是用微小探针“摸索摸索摸索摸索”样品表面来获得信息如图样品表面来获得信息如图样品表面来获得信息如图样品表面来获得信息如图3.13.13.13.1所示，当针尖接近样品所示，当针尖接近样品所示，当针尖接近样品所示，当针尖接近样品时，针尖受到力的作用使悬臂发生偏转或振幅改变悬臂的这种变化经检测系统检测后转变成电信号

2、时，针尖受到力的作用使悬臂发生偏转或振幅改变悬臂的这种变化经检测系统检测后转变成电信号时，针尖受到力的作用使悬臂发生偏转或振幅改变悬臂的这种变化经检测系统检测后转变成电信号时，针尖受到力的作用使悬臂发生偏转或振幅改变悬臂的这种变化经检测系统检测后转变成电信号传递传递传递传递(chund)(chund)(chund)(chund)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

3、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。图像下面分别介绍检测系统、扫描系统和反馈控制系统。图像下面分别介绍检测系统、扫描系统和反馈控制系统。图像下面分别介绍检测系统、扫描系统和反馈控制系统。第1页/共35页第二页，共35页。图图图图3.1 AFM3.1 AFM原理图原理图原理图原理图 第2页/共35页第三页，共35页。1 1、检测系统、检测系统、检测系统、检测系统 悬臂的偏转或振幅改变悬臂的偏转或振幅改变悬臂的偏转或振幅改变悬臂的偏转或振幅改变(gibin)(gibin)可以通过多种方法检测，包括：光可以通过多种方法检测，包括：光可以通过多种方法检测，包括：光可以通

4、过多种方法检测，包括：光反射法、光干涉法、隧道电流法、电容检测法等。目前反射法、光干涉法、隧道电流法、电容检测法等。目前反射法、光干涉法、隧道电流法、电容检测法等。目前反射法、光干涉法、隧道电流法、电容检测法等。目前AFMAFM系系系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。激光反射检测系统由探针、激光发生器和光检测器组成。反射检测系统由探针、激光发生器和光检测器组成。反射检测系统由探针、激光发生器和光检测器组成。反

5、射检测系统由探针、激光发生器和光检测器组成。2 2、探针、探针、探针、探针 探针是探针是探针是探针是AFMAFM检测系统的关键部分它由悬臂和悬臂末端的针尖组检测系统的关键部分它由悬臂和悬臂末端的针尖组检测系统的关键部分它由悬臂和悬臂末端的针尖组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，人们已经能制造出各种形状和特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。悬臂是由殊要求的探针。悬臂是由殊要求的探针。悬臂是由殊要求的探针。悬臂是由SiSi

6、或或或或Si3N4Si3N4经光刻技术加工而成的悬经光刻技术加工而成的悬经光刻技术加工而成的悬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。在接触式臂的背面镀有一层金属以达到镜面反射。在接触式臂的背面镀有一层金属以达到镜面反射。在接触式臂的背面镀有一层金属以达到镜面反射。在接触式AFMAFM中中中中V V形悬形悬形悬形悬臂是常见的一种类型臂是常见的一种类型臂是常见的一种类型臂是常见的一种类型(如图如图如图如图3.23.2所示所示所示所示)第3页/共35页第四页，共35页。它的优点是具有低的垂直反射机械它的优点是具有低的垂直反射机械它的优点是具有低的垂直反射机械它的优点是具有低的垂直

7、反射机械力阻和高的侧向扭曲机械力阻悬力阻和高的侧向扭曲机械力阻悬力阻和高的侧向扭曲机械力阻悬力阻和高的侧向扭曲机械力阻悬臂的弹性系数一般低于固体原于的臂的弹性系数一般低于固体原于的臂的弹性系数一般低于固体原于的臂的弹性系数一般低于固体原于的弹性系数，弹性系数，弹性系数，弹性系数，悬臂的弹性常数与形状、悬臂的弹性常数与形状、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悬臂具大小和材料有关厚而短的悬臂具大小和材料有关厚而短的悬臂具大小和材料有关厚而短的悬臂具有硬度大和振动有硬度大和振动有硬度大和振动有硬度大和振动(zhndng)(zhndng)(zhndng)(zhndng)

8、频率高频率高频率高频率高的特点的特点的特点的特点 商品化的悬臂一般长为商品化的悬臂一般长为商品化的悬臂一般长为商品化的悬臂一般长为100-200 m100-200 m、宽、宽、宽、宽10-40m10-40m、厚、厚、厚、厚0.3-2m0.3-2m，弹性系，弹性系，弹性系，弹性系数变化范围一般在几十数变化范围一般在几十数变化范围一般在几十数变化范围一般在几十Nm-1Nm-1到百分之几到百分之几到百分之几到百分之几Nm-1Nm-1之间，共振频率一般大于之间，共振频率一般大于之间，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呈金字塔形或圆锥形，针尖的曲率。探针末端的

9、针尖一般呈金字塔形或圆锥形，针尖的曲率。探针末端的针尖一般呈金字塔形或圆锥形，针尖的曲率。探针末端的针尖一般呈金字塔形或圆锥形，针尖的曲率(ql)(ql)半径半径半径半径与与与与AFMAFM分辨率有直接关系一般商品针尖的曲率分辨率有直接关系一般商品针尖的曲率分辨率有直接关系一般商品针尖的曲率分辨率有直接关系一般商品针尖的曲率(ql)(ql)半径在几纳米到几十半径在几纳米到几十半径在几纳米到几十半径在几纳米到几十纳米范围纳米范围纳米范围纳米范围第4页/共35页第五页，共35页。4 4、扫描系统、扫描系统、扫描系统、扫描系统 AFM AFM对样品扫描的精确控制是靠扫描器来实现的扫对样品扫描的精确控

10、制是靠扫描器来实现的扫对样品扫描的精确控制是靠扫描器来实现的扫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压电转换器压电装置在描器中装有压电转换器压电装置在描器中装有压电转换器压电装置在描器中装有压电转换器压电装置在X X，Y Y，Z Z三个方三个方三个方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向上精确控制样品或探针位置。目前构成扫描器的基向上精确控制样品或探针位置。目前构成扫描器的基向上精确控制样品或探针位置。目前构成扫描器的基质质质质(j zh)(j zh)材料主要是钛锆酸铅材料主要是钛锆酸铅材料主要是钛锆酸铅材料主要是钛锆酸铅Pb(Ti,Zr)O3Pb(Ti,Zr)O3

11、制成的压制成的压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系收缩特性，并且收缩的程度与所加电压成比例关系收缩特性，并且收缩的程度与所加电压成比例关系收缩特性，并且收缩的程度与所加电压成比例关系压电陶瓷能将压电陶瓷能将压电陶瓷能将压电陶瓷能将1mV1000V1mV1000V的电压信号转换成十几分之的电压信号转换成十几分之的电压信号转换成十几分之的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。一纳米到几微米的位

12、移。一纳米到几微米的位移。一纳米到几微米的位移。3、光电检测器、光电检测器 AFM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统然后，通过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电压电子线路把照在两个二极管上的光量差转换成电压(diny)信号方式来信号方式来指示光点位置。指示光点位置。第5页/共35页第六页，共35页。5 5、反馈控制系统、反馈控制系统、反馈控制系统、反馈控制系统 AFM AFM反馈控制是由电子线路和计算机系统共

13、同完成的。反馈控制是由电子线路和计算机系统共同完成的。反馈控制是由电子线路和计算机系统共同完成的。反馈控制是由电子线路和计算机系统共同完成的。AFMAFM的运行的运行的运行的运行是在高速、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：能：能：能：(1)(1)提供控制压电转换器提供控制压电转换器提供控制压电转换器提供控制压电转换器X-YX-Y方向扫描的驱动电压；方向扫描的驱动电压；方向扫描的驱动电压；方

14、向扫描的驱动电压；(2)(2)在恒力模式下在恒力模式下在恒力模式下在恒力模式下维持来自显微镜检测环路输入模拟信号在一恒定数值计算机通过维持来自显微镜检测环路输入模拟信号在一恒定数值计算机通过维持来自显微镜检测环路输入模拟信号在一恒定数值计算机通过维持来自显微镜检测环路输入模拟信号在一恒定数值计算机通过A/DA/D转换读取比较环路电压转换读取比较环路电压转换读取比较环路电压转换读取比较环路电压(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，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

15、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缩，以纠正方向压电传感器的伸缩，以纠正方向压电传感器的伸缩，以纠正方向压电传感器的伸缩，以纠正读入读入读入读入A/DA/D转换器的偏差，从而维持比较环路的输出电压恒定。转换器的偏差，从而维持比较环路的输出电压恒定。转换器的偏差，从而维持比较环路的输出电压恒定。转换器的偏差，从而维持比较环路的输出电压恒定。电子线路系统起到计算机与扫描系统相连接的作用，电子线路为压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，电子线路为压电子线路系

16、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，并构成电陶瓷管提供电压、接收位置敏感器件传来的信号，并构成电陶瓷管提供电压、接收位置敏感器件传来的信号，并构成电陶瓷管提供电压、接收位置敏感器件传来的信号，并构成(guchng)(guchng)控制针尖和样品之间距离的反馈系统。控制针尖和样品之间距离的反馈系统。控制针尖和样品之间距离的反馈系统。控制针尖和样品之间距离的反馈系统。第6页/共35页第七页，共35页。二、原子力显微镜的分辨率二、原子力显微镜的分辨率 原子力显微镜分辨率包括侧原子力显微镜分辨率包括侧向分辨率和垂直分辨率图像向分辨率和垂直分辨率

17、图像的侧向分辨率决定于两种因素：的侧向分辨率决定于两种因素：采集团像的步宽采集团像的步宽(Step size)(Step size)和和针尖形状针尖形状 1.1.步宽因素步宽因素 原子力显微镜图像由许多点原子力显微镜图像由许多点组成，其采点的形式如图组成，其采点的形式如图3.33.3所所示扫描器沿着齿形路线进行示扫描器沿着齿形路线进行(jnxng)(jnxng)扫描，计算机以一定扫描，计算机以一定的步宽取数据点以每幅图像的步宽取数据点以每幅图像取取512x 512512x 512数据点计算，扫描数据点计算，扫描1m x1m1m x1m尺寸图像得到步宽尺寸图像得到步宽为为2nm(1m2nm(1m

18、512)512)高质量针尖高质量针尖可以提供可以提供12nm12nm的分辨率由此的分辨率由此可知，在扫描样品尺寸超过可知，在扫描样品尺寸超过1m x1m1m x1m时，时，AFMAFM的侧向分辨的侧向分辨率是由采集图像的步宽决定的。率是由采集图像的步宽决定的。第7页/共35页第八页，共35页。第8页/共35页第九页，共35页。2.2.针尖因素针尖因素针尖因素针尖因素 AFM AFM成像实际上是针尖形状与表面形貌作用的结果，成像实际上是针尖形状与表面形貌作用的结果，成像实际上是针尖形状与表面形貌作用的结果，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。针尖影响针

19、尖的形状是影响侧向分辨率的关键因素。针尖影响针尖的形状是影响侧向分辨率的关键因素。针尖影响针尖的形状是影响侧向分辨率的关键因素。针尖影响AFMAFM成像主要表现在两个方面：针尖的曲率成像主要表现在两个方面：针尖的曲率成像主要表现在两个方面：针尖的曲率成像主要表现在两个方面：针尖的曲率(ql)(ql)半半半半径和针尖侧面角，曲率径和针尖侧面角，曲率径和针尖侧面角，曲率径和针尖侧面角，曲率(ql)(ql)半径决定最高侧向分辨半径决定最高侧向分辨半径决定最高侧向分辨半径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的探测能率，而探针的侧面角决定最高表面比率特征的探测能率，而探针的侧面角决定最

20、高表面比率特征的探测能率，而探针的侧面角决定最高表面比率特征的探测能力如图力如图力如图力如图3.43.4所示，曲率所示，曲率所示，曲率所示，曲率(ql)(ql)半径越小，越能分辨精半径越小，越能分辨精半径越小，越能分辨精半径越小，越能分辨精细结构细结构细结构细结构图图3.4 不同曲率半径的针尖对球形物成像时的扫描不同曲率半径的针尖对球形物成像时的扫描(somio)路线路线第9页/共35页第十页，共35页。当针尖当针尖当针尖当针尖(zhn jin)(zhn jin)(zhn jin)(zhn jin)有污染时会导致针尖有污染时会导致针尖有污染时会导致针尖有污染时会导致针尖(zhn jin)(zh

21、n jin)(zhn jin)(zhn jin)变钝变钝变钝变钝(图图图图3.5)3.5)3.5)3.5)，使得图像灵敏度下降或失真，但钝的针尖使得图像灵敏度下降或失真，但钝的针尖使得图像灵敏度下降或失真，但钝的针尖使得图像灵敏度下降或失真，但钝的针尖(zhn jin)(zhn jin)(zhn jin)(zhn jin)或污染的针或污染的针或污染的针或污染的针尖尖尖尖(zhn jin)(zhn jin)(zhn jin)(zhn jin)不影响样品的垂直分辨率样品的陡峭面分辨程度不影响样品的垂直分辨率样品的陡峭面分辨程度不影响样品的垂直分辨率样品的陡峭面分辨程度不影响样品的垂直分辨率样品的陡

22、峭面分辨程度决定于针尖决定于针尖决定于针尖决定于针尖(zhn jin)(zhn jin)(zhn jin)(zhn jin)的侧面角大小侧面角越小，分辨陡峭样的侧面角大小侧面角越小，分辨陡峭样的侧面角大小侧面角越小，分辨陡峭样的侧面角大小侧面角越小，分辨陡峭样品表面能力就越强，图品表面能力就越强，图品表面能力就越强，图品表面能力就越强，图3.63.63.63.6说明了针尖说明了针尖说明了针尖说明了针尖(zhn jin)(zhn jin)(zhn jin)(zhn jin)侧面角对样品成侧面角对样品成侧面角对样品成侧面角对样品成像的影响。像的影响。像的影响。像的影响。图图3.5 针尖污染时成像路

23、线和相应针尖污染时成像路线和相应(xingyng)形貌图形貌图第10页/共35页第十一页，共35页。图图3.6 不同侧面不同侧面(cmin)角针尖对样品表面成像路线影响角针尖对样品表面成像路线影响第11页/共35页第十二页，共35页。三、原于力显微镜基本三、原于力显微镜基本三、原于力显微镜基本三、原于力显微镜基本(jbn)(jbn)(jbn)(jbn)成像模式成像模式成像模式成像模式 原子力显微镜有四种基本成像模式，它们分别是接触式原子力显微镜有四种基本成像模式，它们分别是接触式原子力显微镜有四种基本成像模式，它们分别是接触式原子力显微镜有四种基本成像模式，它们分别是接触式(Contact m

24、ode)(Contact mode)、非接触式、非接触式、非接触式、非接触式(non-contact mode)(non-contact mode)、敲击式、敲击式、敲击式、敲击式(tapping mode)(tapping mode)和升降式和升降式和升降式和升降式(lift mode)(lift mode)1 1、接触成像模式、接触成像模式、接触成像模式、接触成像模式 在接触式在接触式在接触式在接触式AFMAFM中，探针与样品表面进行中，探针与样品表面进行中，探针与样品表面进行中，探针与样品表面进行“软接触软接触软接触软接触”当探当探当探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

25、首先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，一直相互吸引，一直相互吸引，一直相互吸引，一直(yzh)(yzh)到原子间电子云开始相互静电排斥到原子间电子云开始相互静电排斥到原子间电子云开始相互静电排斥到原子间电子云开始相互静电排斥如图如图如图如图3.73.7所示。所示。所示。所示。第12页/共35页第十三页，共35页。第13页/共35页第十四页，共35页。这种静电这种静电这种静电这种静电(jngdin)(jngdin)排斥随探针与样品表面原子进一步靠近，逐渐抵消原排斥随

26、探针与样品表面原子进一步靠近，逐渐抵消原排斥随探针与样品表面原子进一步靠近，逐渐抵消原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子间的吸引力当原子间距离小于子间的吸引力当原子间距离小于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，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当合力为正值当合力为正值当合力为正值当合力为正值(排斥排斥排斥排斥)时，原子相互接触由于在接触区域范德华力曲线斜率时，原子相互接触由于在接触区域范德华力曲线斜率时，原子相互接触由于在接触区域范德华力曲线斜率时，原子相互接触由于

27、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进一步靠近样品表面原子的推力当探很高，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很小时，悬臂发生弯曲通过检测这种弯曲就可以进行样品形貌针弹性系数很小时，悬臂发生弯曲通过检测这种弯曲就可以进行样品形貌针弹性系数很小时，悬臂发生弯曲通过检测这种弯曲就可以进行样品形貌针弹性系数很小时，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。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，

28、探针观察。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，探针观察。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，探针观察。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品力学信息或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品力学信息或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品力学信息或对样品表面进行修饰对样品表面进行修饰对样品表面进行修饰对样品表面进行修饰第14页/共35页第十五页，共35页。2.2.非接触成像模式非接触成像

29、模式非接触成像模式非接触成像模式 非接触式非接触式非接触式非接触式AFMAFM中，探针以特定的频率在样品表面附近中，探针以特定的频率在样品表面附近中，探针以特定的频率在样品表面附近中，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这振动探针和样品表面距离在几纳米到数十纳米之间这振动探针和样品表面距离在几纳米到数十纳米之间这振动探针和样品表面距离在几纳米到数十纳米之间这一距离范围一距离范围一距离范围一距离范围(fnwi)(fnwi)在范德华力曲线上位于非接触区域在在范德华力曲线上位于非接触区域在在范德华力曲线上位于非接触区域在在范德华力曲线上位于非接触区域在非接触区域

30、，探针和样品表面所受的总力很小，通常在非接触区域，探针和样品表面所受的总力很小，通常在非接触区域，探针和样品表面所受的总力很小，通常在非接触区域，探针和样品表面所受的总力很小，通常在10-10-12N12N左右。在非接触式左右。在非接触式左右。在非接触式左右。在非接触式AFMAFM中，探针以接近于其自身共振中，探针以接近于其自身共振中，探针以接近于其自身共振中，探针以接近于其自身共振频率频率频率频率(一般为一般为一般为一般为100kHz100kHz到到到到400kHz)400kHz)及几纳米到数十纳米的振幅及几纳米到数十纳米的振幅及几纳米到数十纳米的振幅及几纳米到数十纳米的振幅振动当探针接近样

31、品表面时，探针共振频率或振幅发生振动当探针接近样品表面时，探针共振频率或振幅发生振动当探针接近样品表面时，探针共振频率或振幅发生振动当探针接近样品表面时，探针共振频率或振幅发生变化检测器检测到这种变化后，把信号传递给反馈系统，变化检测器检测到这种变化后，把信号传递给反馈系统，变化检测器检测到这种变化后，把信号传递给反馈系统，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动扫描器来保持探针共振频率或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

32、品表面平均距离恒定，计算机振幅恒定，进而使探针与样品表面平均距离恒定，计算机振幅恒定，进而使探针与样品表面平均距离恒定，计算机振幅恒定，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形貌图。通过记录扫描器的移动获得样品表面形貌图。通过记录扫描器的移动获得样品表面形貌图。通过记录扫描器的移动获得样品表面形貌图。第15页/共35页第十六页，共35页。非接触式非接触式AFM不破坏样品表面，适用于较软不破坏样品表面，适用于较软的样品对于无表面吸附层的刚性样品而言非的样品对于无表面吸附层的刚性样品而言非接触式接触式AFM与接触式与接触式AFM获得获得(hud)的表面形貌的表面形

33、貌图基本相同但对于表面吸附凝聚水的刚性样品，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情况则有所不同接触式AFM可以穿过液体层获可以穿过液体层获得得(hud)刚性样品表面形貌图，而非接触式刚性样品表面形貌图，而非接触式AFM则得到液体表面形貌图。则得到液体表面形貌图。第16页/共35页第十七页，共35页。3.3.敲击成像模式敲击成像模式敲击成像模式敲击成像模式 敲击式敲击式敲击式敲击式AFMAFM与非接触式与非接触式与非接触式与非接触式AFMAFM比较相似，但它比非接比较相似，但它比非接比较相似，但它比非接比较相似，但它比非接触式触式触式触式AFMAFM有更近的样品与针尖距

34、离和非接触式有更近的样品与针尖距离和非接触式有更近的样品与针尖距离和非接触式有更近的样品与针尖距离和非接触式AFMAFM一样，在敲击模式中，一种恒定的驱动力使探针一样，在敲击模式中，一种恒定的驱动力使探针一样，在敲击模式中，一种恒定的驱动力使探针一样，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悬臂以一定的频率振动悬臂以一定的频率振动悬臂以一定的频率振动(一般为几百千赫一般为几百千赫一般为几百千赫一般为几百千赫)振动的振振动的振振动的振振动的振幅可以通过检测系统检测当针尖刚接触到样品时，幅可以通过检测系统检测当针尖刚接触到样品时，幅可以通过检测系统检测当针尖刚接触到样品时，幅可以通

35、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的过程中，悬臂振幅会减少到某一数值在扫描样品的过程中，悬臂振幅会减少到某一数值在扫描样品的过程中，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定当针尖扫描反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒定当针尖扫描反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒定当针尖扫描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阻碍变大，振幅随到样品突出区域时悬臂共振受到阻碍变大，振幅随到样品突出区域时悬臂共振受到阻碍变大，振幅随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，当针尖通过样品凹陷区域时

36、，悬臀振之减小相反，当针尖通过样品凹陷区域时，悬臀振之减小相反，当针尖通过样品凹陷区域时，悬臀振之减小相反，当针尖通过样品凹陷区域时，悬臀振动受到的阻力减小，振幅随之增加。悬臂振幅的变化动受到的阻力减小，振幅随之增加。悬臂振幅的变化动受到的阻力减小，振幅随之增加。悬臂振幅的变化动受到的阻力减小，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后，反馈回路调节针尖和经检测器检测并输入控制器后，反馈回路调节针尖和经检测器检测并输入控制器后，反馈回路调节针尖和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，使悬臂振幅保持恒定反馈调节是靠改样品的距离，使悬臂振幅保持恒定反馈调节是靠改样品

37、的距离，使悬臂振幅保持恒定反馈调节是靠改样品的距离，使悬臂振幅保持恒定反馈调节是靠改变变变变Z Z方向上压电陶瓷管电压完成的。当针尖扫描样品方向上压电陶瓷管电压完成的。当针尖扫描样品方向上压电陶瓷管电压完成的。当针尖扫描样品方向上压电陶瓷管电压完成的。当针尖扫描样品时，通过记录压电陶瓷管的移动就得到样品表面时，通过记录压电陶瓷管的移动就得到样品表面时，通过记录压电陶瓷管的移动就得到样品表面时，通过记录压电陶瓷管的移动就得到样品表面(biomin)(biomin)形貌图。形貌图。形貌图。形貌图。第17页/共35页第十八页，共35页。敲击式敲击式AFM与接触式和非接触与接触式和非接触式式AFM相比

38、有明显的优点相比有明显的优点.敲击式敲击式AFM有效防止了样品对针尖的粘滞有效防止了样品对针尖的粘滞现象和针尖对样品的损坏如图现象和针尖对样品的损坏如图8所示，当遇到固定不牢的样品时，所示，当遇到固定不牢的样品时，用接触式用接触式AFM成像易使样品因摩擦成像易使样品因摩擦力和粘滞力被拉起，从而产生假象力和粘滞力被拉起，从而产生假象用非接触式用非接触式AFM成像时，因其分成像时，因其分辨率低，所以不能得到样品的精细辨率低，所以不能得到样品的精细形貌敲击式形貌敲击式AFM集中了接触式分集中了接触式分辨率高和非接触式对样品损害辨率高和非接触式对样品损害(snhi)小的优点，得到了既反映小的优点，得到

39、了既反映真实形貌又不破坏样品的图像敲真实形貌又不破坏样品的图像敲击式击式AFM的另一优点是它的线性操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，从而保证了样品检够高的稳定性，从而保证了样品检测的重现性测的重现性第18页/共35页第十九页，共35页。四、原子力显微镜工作四、原子力显微镜工作四、原子力显微镜工作四、原子力显微镜工作(gngzu)(gngzu)(gngzu)(gngzu)环境环境环境环境 原子力显微镜受工作环境限制原子力显微镜受工作环境限制较少，它可以较少，它可以(ky)在超高真空、在超高真空、气相、液相和电化学的环境下操作。气相、

40、液相和电化学的环境下操作。（1）真空环境：最早的扫描隧）真空环境：最早的扫描隧道显微镜道显微镜(STM)研究是在超高真空研究是在超高真空下进行操作的。后来，随着下进行操作的。后来，随着AFM的出现，人们开始使用真空的出现，人们开始使用真空AFM研究固体表面真空研究固体表面真空AFM避免了避免了大气中杂质和水膜的干扰，但其操大气中杂质和水膜的干扰，但其操作较复杂。作较复杂。（2）气相环境：在气相环境中，）气相环境：在气相环境中，AFM操作比较容易，它是广泛采操作比较容易，它是广泛采用的一种工作环境因用的一种工作环境因AFM操作操作不受样品导电性的限制，它可以不受样品导电性的限制，它可以(ky)在

41、空气中研究任何固体表面，在空气中研究任何固体表面，气相环境中气相环境中AFM多受样品表面水多受样品表面水膜干扰。膜干扰。第19页/共35页第二十页，共35页。（3 3）液相环境：在液相环境中）液相环境：在液相环境中AFMAFM是把探针是把探针(tn zhn)(tn zhn)和样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AFMAFM消除了针尖和样品之间的毛细现象，因此减少了针尖对样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力液相品的总作用力液相AFMAFM的应用十分广阔，它包括生物体系、的应用十分广阔，它包括生物

42、体系、腐蚀或任一液固界面的研究腐蚀或任一液固界面的研究（4 4）电化学环境：正如超高真空系统一样，电化学系统为）电化学环境：正如超高真空系统一样，电化学系统为AFMAFM提供了另一种控制环境电化学提供了另一种控制环境电化学AFMAFM是在原有是在原有AFMAFM基础上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添加了电解池、双恒电位仪和相应的应用软件电化学AFMAFM可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、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、腐蚀以及有机和生物分子在电极表面的沉积和形态变化等。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。第20页/

43、共35页第二十一页，共35页。五、与五、与AFM相关的显微镜及技术相关的显微镜及技术 AFM能被广泛应用的一个重能被广泛应用的一个重要原因是它具有开放性。在基本要原因是它具有开放性。在基本AFM操作系统基础上，通过改变操作系统基础上，通过改变(gibin)探针、成像模式或针探针、成像模式或针尖与样品间的作用力就可以测量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的多种性质下面是一些与AFM相关的显微镜和技术：相关的显微镜和技术：1.侧向力显微镜侧向力显微镜(Lateral Force microscopy，LFM)2.磁力显微镜磁力显微镜(Magnetic Force micro

44、scopy，MFM)3.静电力显微镜静电力显微镜(Eelectrostatic Force microscopy，EFM)4.化学力显微镜化学力显微镜(Chemical Force microscopy，CFM)5.力调置显微镜力调置显微镜(Force modulation microscopy，FMM)6.相检测显微镜相检测显微镜(Phase detection microscopy，PHD)7.纳米压痕技术纳米压痕技术(nanoindentation)8.纳米加工技术纳米加工技术(nanolithography)第21页/共35页第二十二页，共35页。通常人们用通常人们用通常人们用通常人们

45、用AFMAFM扫描样品表面扫描样品表面扫描样品表面扫描样品表面时尽可能对样品加很小的力，这时尽可能对样品加很小的力，这时尽可能对样品加很小的力，这时尽可能对样品加很小的力，这样样样样(zhyng)(zhyng)可以避免对样品表面可以避免对样品表面可以避免对样品表面可以避免对样品表面的损害的损害的损害的损害.然而，另一极端想法是给然而，另一极端想法是给然而，另一极端想法是给然而，另一极端想法是给样品加足够大的力，从而达到对样品加足够大的力，从而达到对样品加足够大的力，从而达到对样品加足够大的力，从而达到对样品微观表面进行修饰的目的样品微观表面进行修饰的目的样品微观表面进行修饰的目的样品微观表面进

46、行修饰的目的这种想法使得纳米加工技术成为这种想法使得纳米加工技术成为这种想法使得纳米加工技术成为这种想法使得纳米加工技术成为可能现在人们用可能现在人们用可能现在人们用可能现在人们用AFMAFM刻出各种刻出各种刻出各种刻出各种纳米字纳米字纳米字纳米字(图图图图3.9)3.9)并用并用并用并用STMSTM对原子对原子对原子对原子进行搬运这种技术大大开拓了进行搬运这种技术大大开拓了进行搬运这种技术大大开拓了进行搬运这种技术大大开拓了人们的机械操纵视野，它对纳米人们的机械操纵视野，它对纳米人们的机械操纵视野，它对纳米人们的机械操纵视野，它对纳米科学有巨大的潜在作用科学有巨大的潜在作用科学有巨大的潜在作

47、用科学有巨大的潜在作用第22页/共35页第二十三页，共35页。六、六、六、六、AFMAFM假象假象假象假象 在所有显微学技术中，在所有显微学技术中，在所有显微学技术中，在所有显微学技术中，AFMAFM图像的解释相对来图像的解释相对来图像的解释相对来图像的解释相对来说是容易的。光学显微镜和电子显微镜成像都受电说是容易的。光学显微镜和电子显微镜成像都受电说是容易的。光学显微镜和电子显微镜成像都受电说是容易的。光学显微镜和电子显微镜成像都受电磁衍射的影响，这给它们辨别三维结构带来困难磁衍射的影响，这给它们辨别三维结构带来困难磁衍射的影响，这给它们辨别三维结构带来困难磁衍射的影响，这给它们辨别三维结构

48、带来困难AFMAFM可以弥补这些不足，在可以弥补这些不足，在可以弥补这些不足，在可以弥补这些不足，在AFMAFM图像中峰和谷明图像中峰和谷明图像中峰和谷明图像中峰和谷明晰可见晰可见晰可见晰可见AFMAFM的另一优点是光或电对它成像基本没的另一优点是光或电对它成像基本没的另一优点是光或电对它成像基本没的另一优点是光或电对它成像基本没有影响，有影响，有影响，有影响，AFMAFM能测得表面的真实形貌尽管能测得表面的真实形貌尽管能测得表面的真实形貌尽管能测得表面的真实形貌尽管AFMAFM成像简单，成像简单，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，本身也有假象

49、存在相对来说，本身也有假象存在相对来说，AFMAFM的假象比较的假象比较的假象比较的假象比较(bjio)(bjio)容易验证下面介绍一些容易验证下面介绍一些容易验证下面介绍一些容易验证下面介绍一些假象情况：假象情况：假象情况：假象情况：第23页/共35页第二十四页，共35页。（1 1）针尖成像：）针尖成像：）针尖成像：）针尖成像：AFMAFM中大多数假象中大多数假象中大多数假象中大多数假象(jixing)(jixing)源于针尖成像如图源于针尖成像如图源于针尖成像如图源于针尖成像如图3.103.10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。相所示，针尖比样品特征尖锐时，样品特征就

50、能很好地显现出来。相所示，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。相反，当样品比针尖更尖时，假象反，当样品比针尖更尖时，假象反，当样品比针尖更尖时，假象反，当样品比针尖更尖时，假象(jixing)(jixing)就会出现，这时成像主要就会出现，这时成像主要就会出现，这时成像主要就会出现，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为针尖特征高表面率的针尖可以减少这种假象为针尖特征高表面率的针尖可以减少这种假象为针尖特征高表面率的针尖可以减少这种假象(jixing)(jixing)发生发生发生发生第24页/共35页第二十