原子力显微镜AFM.ppt

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1、原子力显微镜Atomicforcemicroscopy，AFM王景风目录1.概述2.AFM的工作原理及工作模式3.应用及实例解释1.概述显微技术是人们认识材料微观结构的重要途径，其发展历程是从光学显微镜——电子显微镜——扫描探针技术。这也使得人们对于微观世界的认识越来越深入，从微米级、亚微米级发展到纳米级乃至原子级分辨率。原子力显微镜（atomicforcemicroscopy，AFM）就是近代发展起来的扫描探针显微镜(scanningprobemicroscopy，SPM)家族中应用最为广泛的一员。1.1扫描探针显微镜扫描探针显微镜(SPM)：使用一个尖

2、锐的探针在样品表面扫描，在扫描过程中记录探针与样品的相互作用，从而得到样品的表面信息。成像原理适用样品分辨率扫描隧道显微镜Scanningtunnelingmicroscope,STM隧道电流导体或半导体材料横向分辨率0.1nm;垂直方向分辨率0.01nm原子力显微镜Atomicforcemicroscopy，AFM针尖与试样之间的相互作用力导体、半导体、绝缘材料横向分辨率纳米级；垂直方向分辨率0.1nm表1.1STM与AFM的比较指标AFMTEMSEM空间分辨率原子级0.1nm点分辨率0.3~0.5nm3~6nm试样环境大气环境、液相、真空高真空高真空图

3、像形式二维、三维图像二维图像二维图像试样损伤几乎无对电子束敏感物质有损伤对电子束敏感物质有损伤力学性质局部微区力学性能无无表1.2AFM、TEM和SEM的主要性能指标1.2AFM主要功能高空间分辨率描述物质表面微观结构；能够用于表征固体物质表面局部微小区域的力学和物理性质，例如定量测定粗糙度、弹性模量、硬度、黏弹性质等；原子分子搬迁，应用AFM针尖在纳米尺寸对材料表面作微机械加工、表面改性或改变大分子取向和信息技术中的高密度存储技术等。2.AFM的工作原理及工作模式2.1AFM的结构和工作原理图2.1AFM的结构和原理简图作用力F与形变△z之间的关系：F=

4、k·△zk:微悬臂的弹性常数△z：微悬臂发生的微小弹性变形微悬臂微小形变的大小的检测方法有：光学检测法电容检测法压敏电阻检测法等图2.2光束偏转检测型AFM仪器结构与工作原理简图2.2AFM的工作模式原子间范德华力图2.3各种工作模式在针尖-试样力曲线中所处的范围2.2.1接触模式图2.4接触模式工作原理探针接触样品表面，发生形变，向上弯曲；接收器Up-Down信号发生改变；反馈系统通过Vz控制扫描器的伸缩，使Up-Down信号维持恒定；记录在每个扫描点(x,y)的伸缩电压V(x,y)；通过V(x,y)，即可计算出样品的表面形貌T(x,y)；a.高度像b.

5、偏差像成像信号是针尖-试样的真实垂直方向力与操作者选定力大小之间的差值。ab图2.5Si片ALD100nmZnO的AFM图。a.高度像；b.偏差像c.侧向力像图2.6接触模式测定悬臂扭转的示意图它反映了试样个局部区域不同的力学和粘结性质，因而可以表征试样各区域的不同组分。图2.7云母片上相分离磷脂-蛋白质层的高度像（a）和侧向力像（b）2.2.2轻敲模式系统产生振动信号，使其处于共振状态而上下振荡；探针逼近样品后，样品表面起伏引起振幅发生变化；反馈系统通过Vz控制扫描器的伸缩，使振幅信号维持恒定；记录在每个扫描点(x,y)的伸缩电压V(x,y)；通过V(x

6、,y)，即可计算出样品的表面形貌T(x,y)；图2.8轻敲模式原理图a.高度像b.相位像图2.7相位成像原理示意图其是通过检测驱动微悬臂振动的信号与微悬臂实际振动的相位角之差的变化来成像。(a)(b)图2.8一种有机薄膜的高度像（a）与相位像（b）相位像对不同颗粒及其边界具有更强的反差，并可在纳米尺度上提供试样表面组分、摩擦、黏弹性及其他性质的分析。接触模式轻敲模式扫描速度可以达到更高的扫描速度较低横向剪切力有无样品表面水层对扫描的影响有小针尖力大小5~500nN0.1~1nN软样品不适用√吸附样品不适用√表面不稳定的样品不适用√表2.1接触模式与轻敲模式

7、的比较2.2.3非接触模式这种模式控制在试样表面上方5~20nm距离处扫描，利用针尖-试样之间的相互微弱的长程力（范德华吸引力）引起微悬臂固有振动频率峰值的偏移，以此为回馈信号成像。然而，这种模式下：需要高灵敏度的探针；得到的图像分辨率低；针尖也容易被表面吸附气体的表面压吸附到试样表面，引起图像数据的不稳定和对试样的损伤。3.应用及实例解释（1）高度分析图3.1石墨烯片的AFM图，片层厚度0.975nm（2）粒径（分布）分析图3.2CNT生长基底的AFM图。a.高度像；b.相位像；c.粒度分析报告，平均粒度大小为27.98nmbac（3）粗糙度分析图3.3

8、ZnO薄膜的粗糙度分析报告系统可以对图像进行自相关分析。相关运算用