原子力显微镜中探针与样品间作用力及afm的应用

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1、维普资讯http://www.cqvip.com显孝毛，样钉，面{相，锋专九静毕L平兔f声，绷5卷第5期2OOO年10月原子力显微镜中探针与样品间作用力及AFM的应用／马全虹赵冰张征林米争鸣大繇南京21oo96)7f占摘要综台讨论了原子力显微镜(AFM)中探针与样品间作用力，特别是范德华力的形成机制并假定针尖形状为抛物形，定量研究了针尖与样品间作用力，探讨了AFM的若干应用。1前言【l’3在现代科学技术中．常常需要研究尺寸小于可见光波长的物体，例如研究单个蛋白质分子，考察样品中原子尺度的缺陷，设计微电子电路图等等，几十年来

2、虽有许多用于表面结构分析的现代仪器问世，但多数技术都是繁琐的、破坏性的方法。1982年，国际商业机器公司苏黎士实验室的Ge耐Binlg和HeinrichRohrer研制成功了扫描隧道显微镜(ScanningTunndi~Mie∞．sc0pe，sTM)，1986年叉推出了原子力显墩镜(AtomicForceMicroscope，AFM)，从而打开了直接观测微观世界的大门。扫描隧道显微镜利用量子理论中的隧道效应+控制隧道电流的恒定而使探针随表面起伏运动，从而描绘出表面态密度的分布或原子排列的图象，STM只能直接观察导体和半导体

3、的表面结构，在原子力显微镜中，不再要求试样具有导电表面，而是利用探针尖端原子与试样表面原子的电子云相重叠时所产生的作用力，大大扩展了它的适用范围，适用于更多类型材料的表面成像。AFM的工作原理接近指针轮廓仪，且采用STM技术。其原理示意图见图1：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端周定，其弹性常数比原子间弹性常数低一个数量级．另一端有微小针尖，由于针尖尖端原子与样品原子间存在极微弱的作用力(10一～10N)，扫描时控制作用力的恒定+带针尖的微悬臂图1s'rM和AFM原理示意图将对应于原子间作用力的等位面，在垂直于样品表面方向起

4、伏运动，利用光学检测法或隧道电流检测法，测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而获得样品表面原子级形貌信息。*乐南大学生医系生物电子学实验室维普资讯http://www.cqvip.com2AFM中探针和样品间作用力J2．1范德华力任何物体在它的内部或表面都存在有波动电磁场．一部分表现为传输波，一部分表现为有阻尼、按指数衰减的“瞬时”波，这种辐射场主要有两个来源：量子振动和永久多电极的热激发。在AFM探针逐渐靠近样品表面时，产生“虚光子图像”(virtual摄photonimage)，如图2所示。针尖与样品相距很远时，其表

5、面附．近将出现～定的虚光子分布。当它们靠近后虚光子彼此发生j§{光子靛生壹糖交换彻‘粥‘㈣1)zyalosdilnskii，Lifshitr和Pitaevskii(DLP)运用量子场统计物理的方法，首次计算了浸在水溶液中的两个宏观物体之间互相作用；警所产生的范德华力，其相互作用力的大小和范围以一种复杂的图2布示意图方式依赖于探针、样品和针尖附近样品表面的微观几何特征和介电特性。在非接触式AFM中，可进行合理的几何假设并假定探针和样品具有类似球体的各向同性介电性质，这样就可以用DLP形基本框架进行研究。为此可提出“Hamak

6、er常数”、“非阻滞Hamaker常数”、。¨阻滞波长”3个常数来完整地表述由探针、样品和环境介质所组成的系统，把非接触AFM作为图像形貌和表面分析的一个理想工具。22其他作用力针尖与样品表面可能发生形变，从而有形变(或粘滞)力，若探针和样品接触到液体，则常会观察到它们表面带有电荷，产生静电力；此外，特定材料的探针和样品，可能会有磁力，样品表面可能存在液体而产生表面张力，以及一些由于彼此间化学结合而产生的作用力若对探针和样品进行预处理和精心设计，可避免形变力、磁力、表面张力、化学作用力等影响，作为近似计算，可以只考虑斥力和

7、范德华力。2．3作用力的定量研究根据Lennard．Jmles公式，原子间的相互作用势能如下：)=一(1)其中，r是所研究的原子之间的距离，t7、口为相互作用参数，第一项是相互排斥作用势能，第二项是范德华力的相互吸引作用势能。首先求算范德华力，正象文献[5]中所指出的“宏观物体间的范德华力是由它们中单个原子间作用的总和决定的”，据此可以确定此长程力随距离的变化规律。假设针尖绕z轴旋转成抛物形，尖端的曲率半径设为R，d为针尖至样品平面距离，则有针尖方程为：z=+d(2)计算样品平面(x，Y)和单个针尖原子之间的引力势能(f)

8、，忽略样品的有限尺寸引起的边缘效应，可以得到：)=一(3)式中，是从针尖原子到样品之间的距离，n．是样品的原子密度此式对高为的抛物形针尖进行积分，经整理得到范德华引力为：维普资讯http://www.cqvip.comF=一(1—3誊)(式中A为Ham．ark常数)(4)再求算斥力，针尖和样品间的斥力是