原子力显微镜上课件.ppt

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1、AtomicForceMicroscopy原子力显微镜（AFM）1目录：AFM的原理AFM的分类AFM机器的组成影响AFM分辨率的因素AFM技术应用举例照片举例AFM的缺点光学显微镜透射电子显微镜扫描隧道显微镜扫描电子显微镜原子力显微镜显微镜的发展历史扫描隧道显微镜（STM）1983年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家GerdBinnig和HeinrichRohrer发明了扫描隧道显微镜（STM）。STM的原理是电子的“隧道效应”，所以只能测导体和部分半导体。。原子力显微镜（AFM）1985年，IBM公司的Binning和Stanford大学的Quate研发出了原子力显微镜（AFM

2、），弥补了STM的不足，可以用来测量任何样品的表面。AFM的原理AFM是在STM的基础上发展起来的一种显微技术。那么，首先我们先来了解下STM的工作原理。STM是利用原子间的隧道效应进行测量的。隧道效应经典物理学认为，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，车到一半就停住，然后退回去。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，好像有一个隧道，故名隧道效应（quantumtunneling）。可见，宏

3、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，因为隧穿几率极小，但在某些特定的条件下宏观的隧道效应也会出现。STM就是根据这种效应制成的。当针尖和样品面间距足够小时（<0.4nm），在针尖和样品间施加一偏置电压，便会产生隧道效应，电子会穿过势垒，在针尖和样品间流动，形成隧道电流。在相同的偏置电压下，电流强度对针尖和样品间的距离十分敏感，隧道电流随间距呈指数变化，样品表面的形貌影响着隧道电流的剧烈变化，这种电流变化有计算机进行处理就可以的到样品表面的形貌了。STM的结构与工作过程带电极的压电管（根据隧道电流的的大小随时调整针尖和样品的距离，

4、以保持隧道电流的恒定）压电管控制电压隧道电流放大器距离控制和扫描单元隧道电压（用以产生隧道效应）数据处理及显示AFM即原子力显微镜，它是继扫描隧道显微镜之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器，可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵；现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研究和科研院所各种纳米相关学科的研究实验等领域中，成为纳米科学研究的基本工具。在原子力显微镜的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。原子力显微镜的构成原理：当原子间距离减小到一定程度以后，原子间的作用力将迅速上升。因

5、此，由显微探针受力的大小就可以直接换算出样品表面的高度，从而获得样品表面形貌的信息力检测部分：在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是使用微小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变化量。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。位置检测部分：在原子力显微镜（AFM）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（cantilever）摆动，所以当激光照射在悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂cantilever摆动

6、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。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。原子力显微镜（AFM）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（AFM）的系统中，使用微小悬臂（cantilever）来感测针尖与样品之间的交互作用，测得作用力。这作用力会使悬臂摆动，再利用激光将光照射在悬臂的末端，当摆动形成时，

7、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影像的方式给呈现出来。成像原理探针尖和试件表面非常接近时，二者间的作用力极为复杂，有原子(分子、离子)间的排斥力(库仑力)、吸引力(范德华力)、磁力、静电力、摩擦力(接触时)、粘附力、毛细力等。AFM的检测成像用的是原子(分子、离子)间的排斥力(接触测量)或吸引力(非接触测量)，而其他各种作用力对AFM的检测成像并无帮