《扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术（52页珍藏版）》请在装配图网上搜索。
1、原子力显微镜原子力显微镜Atomic Force Microscopyscanning tunneling Microscopy (STM，1982)Atomic force microscopy (AFM)Lateral Force Microscopy (LFM)Magnetic Force Microscopy (MFM)Electrostatic
Force Microscopy (EFM)Chemical Force Microscopy (CFM)Near Field Scanning Optical Microscopy (NSOM)扫描探针显微镜SPM SPMSPM是指在是指在
2、STMSTM基础上发展起来的一大类显微镜，基础上发展起来的一大类显微镜，通过探测极小探针与表面之间的物理作用量如光、通过探测极小探针与表面之间的物理作用量如光、电、磁、力等的大小而获得表面信息。电、磁、力等的大小而获得表面信息。 19861986，IBMIBM，葛葛宾尼（宾尼（G. BinnigG. Binnig）发明了原子力发明了原子力显微镜显微镜(
(Atomic Force Microscope ,AFM)Atomic Force Microscope ,AFM)新一代新一代表面观测仪器表面观测仪器原理：原理：利用原子之间的范德华力（利用原子之间的范德华力（Van Der WaalsVa
3、n Der WaalsForceForce）作用来呈现样品的表面特性作用来呈现样品的表面特性原子间的作用力原子间的作用力吸引部分吸引部分排斥部分排斥部分F pair d原子原子原子原子排斥力排斥力原子原子原子原子吸引力吸引力samplescannercantileverphoto detectorlaser
diode微悬臂微悬臂激光二极管激光二极管光电检测器光电检测器AFMAFM信号反馈信号反馈模式模式微悬臂位移量的检测方式微悬臂位移量的检测方式力检测部分力检测部分光学检测部分光学检测部分反馈电子系统反馈电子系统压电扫描系统压电扫描系统计算机控制系统计算机控制系统接触模接触模式式 (cont
4、act mode) (contact mode) 非非接触模接触模式式 (non-contact mode)(non-contact mode)轻敲模轻敲模式式 (tapping (tapping / / intermittent contact mode) intermittent contact mode) van der Waals force curve
针尖始终向样品接触并简单地在表面上移动，针针尖始终向样品接触并简单地在表面上移动，针尖尖样品间的相互作用力是互相接触原于的电子间样品间的相互作用力是互相接触原于的电子间存在的库仑排斥力，其大小通常为存在的库仑排斥力，其大小通常为101
5、08 8 101011 11NN。van der Waals force curved .nm l优点：可产生稳定、高分辨图像。优点：可产生稳定、高分辨图像。l缺点：缺点： 可能使样品产生相当大的变形，对柔可能使样品产生相当大的变形，对柔软的样品造成破坏，以及破坏探针，严软的样品造成破坏，以及破坏探针，严重影响重影响AFMAFM成像质量。成像质量。
相互作用力是范德华吸引力，远小于排斥力相互作用力是范德华吸引力，远小于排斥力. . van der Waals force curved: 520nm振幅：振幅：2nm5nm范德华吸引力范德华吸引力 微悬臂以共振频率振荡微悬臂以共振频率振荡，通过控
6、制，通过控制微悬臂振幅恒定微悬臂振幅恒定来获得样品表面信息的。来获得样品表面信息的。 优点：对样品无损伤优点：对样品无损伤 缺点：缺点： 1 1）分辨率要比接触式的低。）分辨率要比接触式的低。 2 2）气体的表面压吸附到样品表面，造成图像）气体的表面压吸附到样品表面，造成图像 数据不稳定和对样品的破坏。数据不稳定和对样品的破坏。
介于接触模式和非接触模式之间介于接触模式和非接触模式之间: : 其特点是扫描过程中微悬臂也是振荡的并具有比非其特点是扫描过程中微悬臂也是振荡的并具有比非接触模式更大的振幅接触模式更大的振幅(5100nm)(5100nm)，针尖在振荡时间断地，针尖在振荡时间断地与样品接
7、触。与样品接触。 van der Waals force curve振幅：振幅：5nm 100nm 特点：特点： 1 1）分辨率几乎同接触模式一样好；）分辨率几乎同接触模式一样好； 2 2）接触非常短暂，因此剪切力引起的对样）接触非常短暂，因此剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失；品的破坏几乎完全消失；相位成像相位成像(phase imaging)(phase
imaging)技术技术通过轻敲模式扫描过程中振动微悬臂的相位变化通过轻敲模式扫描过程中振动微悬臂的相位变化来检测表面组分来检测表面组分, ,粘附性粘附性, ,摩擦摩擦, ,粘弹性和其他性质粘弹性和其他性质的变化的变化. .原子力显微镜
8、之解析度氮化氮化硅探针针尖放大图硅探针针尖放大图为克服为克服“加宽效应加宽效应”：一方面可发展制造尖端更尖的探针技术，一方面可发展制造尖端更尖的探针技术，另一方面对标准探针进行修饰也可提高图像质量。另一方面对标准探针进行修饰也可提高图像质量。 单碳纳米壁管单碳纳米壁管 直径直径0. 70. 75 nm5 nmAFMAFM技术的主要特点技术的主要特点:
:优点:制样相对简单,多数情况下对样品不破坏.具有高分辨率，三维立体的成像能力，可同时得到尽可能多的信息.操作简单,对附属设备要求低.缺点:对试样仍有较高要求,特别是平整度.实验结果对针尖有较高的依赖性(针尖效应).仍然属于表面表征技术,需和其他
9、测试手段结合.原子力显微镜的应用原子力显微镜的应用金属金属半导体材料半导体材料化学化学纳米材料纳米材料生命科学生命科学微加工技术微加工技术用用AFMAFM观察观察DNADNA双螺旋结构双螺旋结构v 生物和生命科学生物和生命科学用用AFMAFM观察细胞生长观察细胞生长v
生物和生命科学生物和生命科学用用AFMAFM观察集成电路的线路刻蚀情况观察集成电路的线路刻蚀情况v 微电子科学和技术微电子科学和技术高分子领域的应用高分子领域的应用聚合物膜表面形貌与相分离观察聚合物膜表面形貌与相分离观察 Kajiyama Kajiyama等人应用等人应用AFMAFM研究了单分散聚苯乙烯研究了单分散聚苯乙烯(PS
10、)/(PS)/聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(PMMA)共混成膜的相分离情况。共混成膜的相分离情况。 膜较厚时膜较厚时(25(25), ), 看不到分相。膜厚看不到分相。膜厚100n100n时时,
,可以得到可以得到PMMAPMMA呈岛状分布在呈岛状分布在PSPS中的中的AFMAFM图象。图象。聚合物膜表面形貌与相分离观察聚合物膜表面形貌与相分离观察对非晶态聚合物膜对非晶态聚合物膜, ,形貌图信息较为有限。形貌图信息较为有限。AFMAFM“相成相成像像”方式方式 (phase imaging)(phase
imaging)得到的数据与样品表面硬得到的数据与样品表面硬度和粘弹性有关
11、，可以观察相分离即使在样品表面度和粘弹性有关，可以观察相分离即使在样品表面相对相对“平坦平坦”的情况下的情况下, ,也能较好地反映出聚合物的也能较好地反映出聚合物的相分离后相分离后, ,不同类型聚合物的所在区域。不同类型聚合物的所在区域。高分子结晶形态观察高分子结晶形态观察聚苯乙烯聚苯乙烯/
/聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物的苯溶液在膜聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物的苯溶液在膜槽内分散槽内分散, ,而后在极低的表面压下而后在极低的表面压下/ /) )将分子沉积在新将分子沉积在新鲜云母表面。鲜云母表面。非晶态单链高分子结构观察非晶态单链高分子结构观察AFM在聚合物膜研究中的应用在聚合物膜研究中的应用1
12、表面整体形态研究表面整体形态研究2 孔径孔径( (分布分布),),粒度（分布）研究粒度（分布）研究3 粗糙度研究粗糙度研究1 表面整体形态研究表面整体形态研究2 孔径孔径( (分布分布),),粒度（分布）研究粒度（分布）研究Section analysis of TM-AFM image.Tapping mode atomic force
micrographs3 粗糙度研究粗糙度研究n 粗糙度（粗糙度（Surface roughnessSurface roughness）表示膜表面形态间）表示膜表面形态间的差异，影响着膜的物理和化学性能、膜表面的污的差异，影响着膜的物理和化学性能、膜表面的污染程度和膜的水通量。染程度和膜的水通量。 膜污染研究膜污染研究- -超滤膜或微滤膜超滤膜或微滤膜
新膜表面三维图新膜表面三维图X 1m/ 格格; Z 50 nm/ 格格 污染膜表面三维图污染膜表面三维图X 1m/ 格格; Z 2 000 nm/ 格格 AFM 以分辨率高、制样要求简单、得到的样品表面信息丰富的特点在各领域得到了越来越广泛的应用。 THE END！
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