原子力显微镜_精品文档PPT课件下载推荐.ppt

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电子显微镜的放大倍数极限为100万倍;

而AFM的放大倍数能高达10亿倍,观察活的生命样品,电子显微镜的样品必须进行固定、脱水、包埋、切片、染色等一系列处理,因此电子显微镜只能观察死的细胞或组织的微观结构;

原子力显微镜的样本可以是生理状态的各种物质,在大气条件或溶液中都能进行,因而只需很少或不需对样品作前期处理,这样,就使AFM能观察任何活的生命样品及动态过程。

加工样品的力行为,测试样品的硬度和弹性等;

AFM还能产生和测量电化学反应。

AFM还具有对标本的分子或原子进行加工的力行为,例如:

可搬移原子，切割染色体，在细胞膜上打孔等等。

3.1原子力显微镜简介,2.原子力显微镜的基本工作原理,立式AFM（Hansma等,1988）,原子力显微镜后来又经过多次改进，现代的AFM不仅有原子级的分辨率（纵向0.01nm，横向0.1nm），针尖对试件的作用力极小，基本不划伤试件，能测量软质试件，而且具有多项新的测量功能,3.原子力显微镜的总体结构组成,3.2原子力显微镜的测量和扫描模式,1.AFM检测的要求,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的检测成像并无帮助，而只是起干扰影响作用。

2.作用力的检测模式,1）恒力测量模式；

2）测量微悬臂形变量的测量模式；

3）恒力梯度测量模式;

4）力梯度测量模式。

AFM的三种扫描成像模式,3.AFM检测时的扫描成像模式,AFM检测试件表面微观形貌时，现在采用三种不同的扫描成像模式：

1）接触扫描成像模式（contactmode），2）非接触扫描成像模式或抬高扫描成像模式（non-contactmode或liftmode）,3）轻敲扫描成像模式（tappingmode）,1）接触扫描成像模式,该方式所感知的力是接触原子的外层电子相互排斥的库仑力，这相互排斥的库仑力大小在1081011N。

该方式可以稳定地获得高分辨率试件表面微观形貌图像，有可能达到原子级的测量分辨率。

其缺点如下：

（1）检测弹性模量低的软质试件时，试件表层在针尖力的作用下会产生变形，甚至划伤，这将使测出的表面形貌图像出现假象。

（2）在大气条件下，多数试件表面都吸附着覆盖层（凝集水蒸气，有机污染物，氧化层等），厚度一般为几nm。

当探针尖接触这吸附层时，毛细现象会使吸附层下凹，或粘附到针尖上，引起额外的粘附力，增加了总的作用力，造成了检测成像的畸变。

（3）针尖和试件接触并滑行，容易使探针尖磨损甚至损坏。

2）非接触扫描成像模式,非接触扫描模式测量时，测量的作用力是以范德华力为主的吸引力，针尖试件间距离大致在520nm。

非接触扫描测量模式的主要优点,是探针和试件不接触，针尖测量时不会使试件表面变形，适用于弹性模量低的试件，此外因针尖和试件不接触，测量不受毛细力的影响，同时针尖也不易磨损。

但非接触扫描测量模式测量灵敏度要低些。

AFM轻敲扫描针尖振荡示意图,3）轻敲扫描成像模式,3.3探针与试件间的作用力,1.探针与试件间的各种作用力,1）各种长程力和短程力,探针试件间距离在10m左右时，空气阻尼力探针试件间距离在1001000nm时，主要静电力和磁力相互作用探针试件间距离在10100nm处，吸附水膜产生几百nN吸引力的毛细力针尖试件距离到达10nm左右时，原子（分子、离子）间吸引的范德华力针尖试件间距离小到1nm以内时，原子间相互排斥的厍仑力开始起作用,2）探针尖接近试件过程中发生作用的各种力,3）AFM测量时利用的相互作用力,在接触测量时，检测的是它们间的相互排斥力；

在非接触测量时，检测的是它们间的相互吸引力,4）针尖试件间其他作用力及其应用于各种扫描力显微镜,针尖试件间相互作用的磁力，可制成检测材料磁性能的磁力显微镜（MFM）；

针尖试件间相互作用的静电力，可制成检测材料表面电场电势的静电力显微镜（EFM）；

探针试件接触滑行时的摩擦力，可制成研究材料摩擦磨损行为的摩擦力显微镜（FFM）；

2.AFM工作时针尖试件间的相互作用力,石墨H位上的两种电荷密度分布,1）相互排斥的库仑力和相互吸引的范德华力

（1）原子间的排斥力原子（分子）间的排斥力是由于原子外面的电子云相互排斥而产生的，原子间的排斥力是很强的，在AFM测量时排斥力在1081011N数量级，是短程的相互作用力，作用距离在1010m，随距离增加排斥力迅速衰减。

（2）原子间的相互吸引力原子（分子）间相互吸引的范德华力,是原子或分子靠近时产生相互极化而产生的微弱引力。

属长程力，作用距离可达108m以上。

范德华力，由三部分组成：

（1）偶极偶极相互作用力，即两个偶极子之间的作用力；

（2）偶极感应偶极间的相互作用力,同被它感应的偶极子间的相互作用力；

（3）色散力，它存于中性的原子或分子间。

这些中性的原子或分子的时间平均偶极矩为零，但是由于电子不断围绕原子核运动，在某一瞬间可能产生一定的偶极矩，使得中性原子或分子之间产生瞬时间偶极矩作用，从而产生了色散力。

Fv=,Hamaker常数A是决定范德华作用能大小的关键性参数,2）针尖试件原子间作用力和距离的关系,3）针尖和试件“接触”的概念,当两物体逐渐接近到二者之间的相互作用合力为“零”的临界点时，这两物体被认为开始接触。

即两物体之间相互作用的合力是排斥力时，这两物体是被认为相互接触的;

两物体之间相互作用的合力是吸引力时，这两物体是被认为相互不接触的。

4）AFM的接触测量和不接触测量,不易用于测量,3.悬臂针尖试件相互作用的动力学分析,1）针尖试件相互作用的势能,r两原子间距离两原子间作用能的系数在u（r）=0时的两原子间距离,针尖试件间距离为z的总势能,3.4毛细力和AFM在液体中测量,1.试件表面的吸附层,2.毛细力及其对AFM测量的影响,在R=50100nm，相对湿度在4080时，毛细力大约在几十nN数量级。

3.液体中针尖试件间的相互作用力,探针和试件都浸入液体内进行测量时，可以完全消除毛细现象，因此可不受毛细力的干扰，使测量时的作用力大大减小，而且可以：

1）检测软质试件；

2）可以观察检测活的生物细胞；

3）可以观察研究“固液界面”。

现在还不能完全控制AFM在液体中不同条件时的针尖试件间的相互作用力，作用机理也不完全清楚。

但AFM在液体中测量时，因消除了毛细力，可以使针尖试件间的作用力，比在真空中测量降低两个数量级。

这对检测柔软生物细胞，低弹性模量的软质材料极为重要。

4.在液体中AFM的检测,水下Au（111）的AFM图像（Manne,1990）原子分辨率的起伏幅度约1。

DNA的AFM图像（DigitalInstruments）,3.5影响AFM测量精度的若干问题分析,1.探针作用力引起的试件表面变形,2.微悬臂对测量结果的影响,1）在AFM采用接触测量时，ki0，实测高度z将小于试件表面真实的起伏。

2）在AFM采用恒力测量模式时，针尖一试件间的相互作用力需保持不变。

当检测中作用力发生变化kih时，反馈系统通过改变z,使悬臂的变形力产生变化,而达到平衡：

kc（zh）=kih,3）在AFM测量时,针尖的预置力越大，纵向测量结果的放大作用也越大，即纵向畸变也增大。

为减小测量误差，应尽量采用小的针尖预置力。

4）AFM测量结果的纵向放大量（畸变）和微悬臂的刚度有关。

在采用等间隙测量模式时，从式中可看，采用刚度kc较低的微悬臂较为有利，可以减小纵向测量误差。

但如采用恒力测量模式时，为减小纵向测量误差,应采用刚度较高的微悬臂，这和采用等间隙测量模式时正好相矛盾。

因此可知，微悬臂刚度的选择和AFM的测量模式有关。

故在恒力测量模式时，测出的试件廓形高低,大于真实的高低，即测量结果在垂直方向有放大作用，造成测量廓形的误差,3.探针尖曲率半径对测量结果的影响,4.试件表面廓形高低起伏不平对测量结果的影响,1）纯几何的测量误差,即针尖和试件表面接触点改变，造成的测量误差。

2）针尖试件间的横向作用力,使探针弯曲,造成测量误差。

3）针尖试件间作用力和距离变化的非线性，造成测量误差。

纯几何的测量误差,3.6AFM的微悬臂和针尖,1.对微悬臂和针尖性能的要求,针尖尖锐程度,直接决定AFM测量的横向分辨率。

理想针尖的尖端是单原子，现在的商品针尖端曲率半径在10050nm，正努力希望能达到曲率半径R=10nm或更小。

微悬臂应该对垂直于试件表面,作用于针尖的Z向微弱力极为敏感，应该可以检测到几nN力的变化，因此微悬臂在Z向的弹性系数k必须很小。

在扫描过程中,针尖受摩擦力和横向力作用，因此要求悬臂有很高的横向刚度以减少测量误差。

微悬臂的自振频率须足够高，以便在扫描检测时,针尖能跟踪试件表面的起伏。

在典型测量中，扫描时轮廓起伏信号的频率可以达到几kH,因此微悬臂的固有频率必须高于10kHz,这样才能测出正确的试件表面微观形貌。

由于微悬臂Z向弹簧常数k很小，要求的自振频率又较高，这决定了微悬臂的尺寸（长度），必须很小，常用100m量级，质量也必须很小，应小于1mg。

2.微悬臂和针尖的结构形式,粘结针尖的矩形薄片微悬臂用金属丝制成的微悬臂和针尖V形薄片微悬臂带金字塔形针尖的一体化的V形薄片微悬臂,V形薄片微悬臂（C.Quate）（137m100m）,a）玻璃基板带4个微悬臂b）单个带针尖的V形微悬臂c）金字塔形针尖（1.75mm1.30mm）（142m105m）（4.2m3.2m）带金字塔形针尖的Si3N4一体化V形薄片微悬臂（C.Quate）,5）带圆锥形针尖的一体化的V形薄片微悬臂,带圆锥针尖V形SiO2微悬臂制造过程,带针尖的微悬臂（50m36m）圆锥形针尖（6.25m4.5m）带圆锥形针尖的SiO2一体化V形薄片微悬臂（C.Quate）,6）粘晶须针尖的微悬臂,7）碳纳米管针尖的微悬臂,a）硅针尖加碳纳米管b）局部放大c）尖端放大AFM的碳纳米管探针尖（H.Dai）,3.微悬臂的力学性能分析,1）对微悬臂的力学性能要求,要求它能高灵敏度地检测出在针尖上的作用力，并将此作用力转化成能测量的微悬臂形变或位置偏移。

为使针尖扫描时能随迅速变化起伏的试件表面廓形上下，微悬臂必须有足够高的自振频率。

2）矩形薄片微悬臂的力学计算,悬臂梁自由端最大挠度z1,悬臂梁的弹性系数,4）若干AFM的微悬臂的物理力学性能,3.7AFM针尖