原子力显微镜在材料科学研究中的应用

《原子力显微镜在材料科学研究中的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《原子力显微镜在材料科学研究中的应用（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、I 原子力显微镜在材料科学研究中的应用 摘 要 此论文简要叙述了原子力显微镜的工作原理及特点，介绍其在材料科学中的应用， 指出原子力显微镜在材料的研究过程中有广阔得应用前景。 原子力显微镜为扫描探针显 微镜家族的一员，具有纳米级的分辨能力，其操作容易简便，是目前研究纳米科技和材 料分析的最重要的工具之一。 原子力显微镜是利用探针和样品间原子作用力的关系来得 知样品的表面形貌。至今，原子力显微镜已发展出许多分析功能，原子力显微技术已经 是当今科学研究中不可缺少的重要分析仪器。 关键词：原子力显微镜，材料，扫描探针，表面形貌 II ApplicationApplicationApplication

2、Application ofofofofAtomicAtomicAtomicAtomicForceForceForceForce MicroscopeMicroscopeMicroscopeMicroscope in in in in MaterialMaterialMaterialMaterial ResearchResearchResearchResearch ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT The priciple and character of atomic force microscope is depicted by this article a

3、nd we also introduced the application of atomic force microscope. Great superiority and potential of application in field of material is showed. Atomic force microscopeis number of the scanning probe microscope family. It is capable of generating 3D images of surface topography with nanometer. Also

4、it will be operated easily. Consequently,it is the most useful instrument which can be utilized for nanometer technology and material research at present. atomic force microscope scans the surface by the force of atomic range, which generated by the probe and the specimens. Nowadays the atomic force

5、 microscope have owned manyanalytical functions. And the atomic force microscopic technology is indispensable in the technological research currently. KEYKEYKEYKEY WORDSWORDSWORDSWORDS: : : :atomic force microscope,material,scanning probe,surface topography III 目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 1 原子力显微镜的基本知识.1

6、1.1 显微技术概述1 1.1.1 前言.1 1.1.2 原子力显微镜(AFM)综述.1 1.2 原子力显微镜工作原理2 1.2.1 原子力显微镜原理概述.2 1.2.2 原子力显微镜的基本操作模式.3 1.2.3 原子力显微镜量测架构.4 1.3 原子力显微镜的功能技术5 1.3.1 相位式原子力显微镜.5 1.3.2 扫描式磁场力显微镜.5 1.3.3 侧向力显微镜.6 1.3.4 扫描式热梯度探针显微镜.7 1.3.5 扫描式电场力显微镜.7 1.3.6 液相原子力显微镜.8 1.3.7 微影操控术.8 2 原子力显微镜在材料科学研究中的应用.10 2.1 在材料科学方面中的应用10 2

7、.1.1 三维形貌观测.10 2.1.2 纳米材料与粉体材料的分析.11 2.1.3 成分分析.12 2.1.4 晶体生长方面的应用.13 2.1.5 在薄膜技术中的应用.14 2.2 在其它有关方面中的应用17 2.2.1 在生物学中的应用.17 2.2.2 在物理学中的应用.18 2.2.3 在化学中的应用.19 3 原子力显微镜在材料科学研究方面的应用实验.20 3.1 实验综述20 3.2 氧化锡红外反射薄膜制备的基本原理20 IV 3.3 实验仪器与样品21 3.4 原子力显微镜对红外反射薄膜的测试22 3.4.1 系统启动22 3.4.2 试样的制备要求.22 3.4.3 安装试样

8、台.22 3.4.4 Cantilever 的安装22 3.4.5 调整激光光轴并进行调节测试.23 3.5 原子力显微镜的表面分析23 4 原子力显微镜与其它显微分析技术.25 4.1 原子力显微镜与其它显微分析技术的比较25 4.2 原子力显微镜与扫描电子显微镜27 参 考 文 献.29 X357485724 注：版权所有，仅供参考，禁止擅自复制、转载1 1 原子力显微镜的基本知识 1.1 显微技术概述 1.1.1 前言 在近代仪器发展史上，显微技术一直随着人类科技进步而不断的快速发展，科学研 究及材料发展也随着新的显微技术的发明，而推至前所未有的微小世界。自从 1982 年 Binnin

9、g 与 Robher 等人共同发明扫描穿隧显微镜(scanning tunneling microscope, STM)之 后，人类在探讨原子尺度的欲望上，更向前跨出了一大步，对于材料表面现象的研究也 能更加的深入了解，在这之前，能直接看到原子尺寸的仪器只有场离子显微镜(Field ion microscopy, FIM)与电子显微镜(Electron microscope, EM)。 但碍于试片制备条件及操作环 境的限制， 对于原子尺寸的研究极为有限， 而STM的发明则克服了这些问题。 由于，STM 其原理主要是利用电子穿隧的效应来得到原子影像，材料须具备导电性，应用上有所限 制，而在 19

10、86 年 Binning 等人利用此探针的观念又发展出原子力显微镜(Atomic force microscope, AFM)，AFM 不但具有原子尺寸解析的能力，亦解决了 STM 在导体上的限 制，应用上更为方便。 自扫描式穿隧显微镜问世以来， 更有几十种类型的探针显微镜一直不断地被开发出 来，以探针方式的扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope, SPM)是个大家族，其中 较熟识之技术如：扫描式穿隧显微镜(STM)，近场光学显微镜(NSOM)，磁力显微镜 (MFM)，化学力显微镜(CFM)，扫描式热电探针显微镜(SThM)，相位式探针显微镜 (PDM)，静电力显微

11、镜(EFM)、侧向摩擦力显微镜(LFM)，原子力显微镜(AFM)等。 1.1.2 原子力显微镜(AFM)综述 最早扫描式显微技术(STM)使我们能观察表面原子级影像，但是 STM 的样品基本 上要求为导体，同时表面必须非常平整， 而使 STM 使用受到很大的限制。而目前的各 种扫描式探针显微技术中，以原子力显微镜(AFM)应用是最为广泛，AFM 是以针尖与 样品之间的属于原子级力场作用力，所以又被称为原子力显微镜。AFM 可适用于各种的 物品，如金属材料、高分子聚合物、生物细胞等，并可以操作在大气、真空、电性及液 相等环境，进行不同物性分析，所以AFM 最大的特点是其在空气中或液体环境中都可

12、以操作， 因此，AFM 在生物材料、晶体生长、作用力的研究等方面有广泛的应用。根 据针尖与样品材料的不同及针尖样品距离的不同， 针尖与样品之间的作用力可以是原 子间斥力、范德瓦尔斯吸引力、弹性力、粘附力、磁力和静电力以及针尖在扫描时产生 的摩擦力。通过控制并检测针尖与样品之间的这些作用力，不仅可以高分辨率表征样品 表面形貌，还可分析与作用力相应的表面性质：摩擦力显微镜可分析研究材料的摩擦系 X357485724 注：版权所有，仅供参考，禁止擅自复制、转载2 数；磁力显微镜可研究样品表面的磁畴分布，成为分析磁性材料的强有力工具；利用电 力显微镜可分析样品表面电势、薄膜的介电常数和沉积电荷等。另外

13、，AFM 还可对原 子和分子进行操纵、修饰和加工，并设计和创造出新的结构和物质。 1.2 原子力显微镜工作原理 1.2.1 原子力显微镜原理概述 AFM 是在 STM基础上发展起来的，是通过测量样品表面分子(原子)与 AFM 微悬 臂探针之间的相互作用力，来观测样品表面的形貌。AFM 与 STM 的主要区别是以 1 个 一端固定而另一端装在弹性微悬臂上的尖锐针尖代替隧道探针， 以探测微悬臂受力产生 的微小形变代替探测微小的隧道电流。其工作原理：将一个对极微弱力极敏感的微悬臂 一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样 品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描

14、时控制这种作用力恒定，带有针尖的微 悬臂将对应于原子间的作用力的等位面，在垂直于样品表面方向上起伏运动。利用光学 检测法或隧道电流检测法，可测得对应于扫描各点的位置变化，将信号放大与转换从而 得到样品表面原子级的三维立体形貌图像。AFM 主要是由执行光栅扫描和 z 定位的压 电扫描器、反馈电子线路、光学反射系统、探针、防震系统以及计算机控制系统构成。 压电陶瓷管(PZT)控制样品在 x、y、z 方向的移动，当样品相对针尖沿着 xy 方向扫描时 ， 由于表面的高低起伏使得针尖、样品之间的距离发生改变。当激光束照射到微悬臂的背 面，再反射位置灵敏的光电检测器时，检测器不同象限收到的激光强度差值，同

15、微悬臂 的形变量形成一定的比例关系。反馈回路根据检测器信号与预置值的差值，不断调整针 尖、样品之间的距离，并且保持针尖、样品之间的作用力不变，就可以得到表面形貌像 。 这种测量模式称为恒力模式。 当已知样品表面非常平滑时， 可以采用恒高模式进行扫描 ， 即针尖、样品之间距离保持恒定。这时针尖、样品之间的作用力大小直接反映了表面的 形貌图像。 图 1-1 作用力与距离的关系及 AFM 工作原理示意 X357485724 注：版权所有，仅供参考，禁止擅自复制、转载3 1.2.2 原子力显微镜的基本操作模式 目前现有三种基本操作模式，可区分为接触式（contact）、非接触式（non-contact

16、） 及轻敲式（tapping）三大类。接触式及非接触式易受外界其它因素，如水分子的吸引， 而造成刮伤材料表面及分辨率差所引起之影像失真问题，使用上会有限制，尤其在生物 及高分子软性材料上。以下简单介绍三种基本形式的基本原理： （1）接触式(Contact mode)：利用探针的针尖与待测物表面之原子力交互作用(一 定要接触)，使非常软的探针臂产生偏折，此时用特殊微小的雷射光照射探针臂背面， 被探针臂反射的雷射光以二相的 photo diode(雷射光相位侦检器)来记录雷射光被探针 臂偏移的变化，探针与样品间产生原子间的排斥力约为 10-6至 10-9牛顿。但是，由于 探针与表面有接触，因此过大的作用力仍会损坏样品，尤其是对软性材质如高分子聚合 物、细胞生物等。不过在较硬材料上通常会得到较佳的分辨率。 （2）非接触式(Non-contact mode)：为了解决接触式 AFM 可能损坏样品的缺点， 便有非接触式 AFM 被发展出来，这是利用原子间的长距离吸引力范德华力来运作。 Non-contact mode 的探针必需不与待测物表面接触，利用微弱的范德华力对探针的振幅 改变来回馈。