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1、 原子力显微镜原子力显微镜 Atomic Force Microscope (AFM)现代材料分析方法(10-AFM)Introduction扫描隧道显微镜存在的问题：扫描隧道显微镜存在的问题： 对于绝缘物体，难以进行观察。对于绝缘物体，难以进行观察。现代材料分析方法(10-AFM)原子力显微镜示意图ABCDEFF基座 A: 待测样品 B: AFM的针尖 C: STM的针尖 D: 微杠杆 E: 用于调节隧道结间隙的压电晶体 F: 氟橡胶 G: 扫描器，G2也是STMG1G2现代材料分析方法(10-AFM)LaserSampleXYZ Piezoelectric ScannerPosition
2、Sensitive PhotodiodeMirrorTipCantileverAFM 基本原理基本原理现代材料分析方法(10-AFM)v测量原子间相互作用力测量原子间相互作用力AFM 基本原理基本原理现代材料分析方法(10-AFM)vFor practical AFM probe tip and the sample surface, attractive force between them could be much larger than what is described here for a tow-atoms system. This is because, at least, t
3、he size of the tip is much larger than an atom. Typical radius of a commercial tip is 20 nm. Also, much longer-range forces could occur in practice.AFM 基本原理基本原理现代材料分析方法(10-AFM)Feature of AFM1.Can work at air atmosphere2.Can observe the insulation samples3.High resolution on vertical direction现代材料分析方
4、法(10-AFM)vFeatures of AFM: nCreates topographical images with a height resolution of 0.1 nm and lateral resolution down to 5nm. nFriction force images can distinguish different materials, phases, and chemical properties. nYou can measure adhesion forces (surface energy) of surfaces. AFM 基本原理基本原理现代材料
5、分析方法(10-AFM)AFM 基本原理基本原理现代材料分析方法(10-AFM)AFM 基本原理基本原理vA very soft cantilever with a spring constant of 0.1 N/m is usually used in contact AFM. v After a mechanical contact between the tip and the sample surface, there is a repulsive force between them. 现代材料分析方法(10-AFM)AFM 基本原理基本原理现代材料分析方法(10-AFM)培养皿型
6、溶液池密封型溶液池电化学溶液池MFM物相成图粘弹性測定电流測定表面电位測定超微硬度測定气氛控制室（WET-SPM系列）AFM接触模式动态模式LFMSTM测头现代材料分析方法(10-AFM)ITOITO薄膜薄膜透明导电的薄膜，随着成膜方法、膜厚、基底温度等成膜条件，而表面形貌不同。将膜厚120nm（左）与450nm（右）的ITO薄膜进行比较时，随着膜厚的增加，每个結晶颗粒（grain）明显地长大。另外，明显地观察到溅射生长法特有的晶粒亚晶粒结构。（青山学院大学 理工学部 化学科 重里先生 提供）现代材料分析方法(10-AFM)PTCDAPTCDA薄膜薄膜石墨表面上外延生长的有机薄膜(peryle
7、ne-3,4,9,10-tetracarboxylic-dianhydride)。层状成長明显。清晰地观察到約0.3nm生长阶梯。（京都大学大学院理学研究科星野先生提供）现代材料分析方法(10-AFM)金属表面结构金属表面结构n观察到二种含碳浓度不同的钢材S55C（碳浓度0.55）、S25C（碳浓度0.25）中的碳化物的分布状态不同。前处理为，研磨抛光后，在1.5溶液中浸泡几秒钟，形成细微的阶梯。碳浓度高的S55C中，纯铁相（Fe），多数掺碳体相（Fe3C）成为突出的層状珠铁结构。现代材料分析方法(10-AFM)陶瓷陶瓷破碎面破碎面观察到陶瓷颗粒界面破坏状况。现代材料分析方法(10-AFM)沸
8、石沸石观察方形沸石粉末（左）。细粒粉末样品，用树脂包埋固定。样品表面放大，清晰地观察到几个（）原子的阶梯。现代材料分析方法(10-AFM)Observation for biological samples现代材料分析方法(10-AFM)脐脐静脈内皮細胞静脈内皮細胞（ （HUVECHUVEC） ）大气中（左）与培养液中（右）观察。清晰地观察到培养液中的細胞表面光滑，大气中出现凹坑，由于干燥，細胞破坏，核部分突出。（使用培养皿型溶液池）（日本医科大学解剖学第一讲座 杉本先生，武政先生 提供）现代材料分析方法(10-AFM)质体质体DNADNA观察DNA分子时，因为一般的白云母（muscovite
9、、KAl2(OH)2AlSi3O10)基片表面带有負电荷，基片与DNA磷酸根的親和力强，再样品溶液中加Mg等二价金属离子。 另外，白云母基片表面是新鮮劈開面，表面必须充分清洗干净。次质体DNA由大約3000碱基对组成，从图像上測出約微米的周長，根据射线衍射等的解析，得到的基本单位長（3.4/碱基对）与計算値非常一致。现代材料分析方法(10-AFM)Observation in Liquor 培养皿型液体池用于溶液中的AFM观察，一般是开放型的。样品装载在培养皿的底部，在液体中扫描。培养皿容量051.5ml。密封型液体池用于液体中的AFM观察，使用O密封环，将样品座与液体池之间密封。溶液容量约0
10、.35ml。现代材料分析方法(10-AFM)牙齿的蜂窝状结构牙齿的蜂窝状结构观察被酸腐蚀的牙齿釉質表面。由于釉質的磷灰石结晶的差别，腐蚀出粗糙的蜂窝状表面。在与口腔内中类似的水溶液中观察。（使用培养皿型的液体池）（岡山大学齿科学部永峰先生提供）现代材料分析方法(10-AFM)电电化学化学SPM电化学液体池电化学液体池用于AFM观察样品在电解溶液中，产生化学反应时的表面变化。标准为3 电极（作用电极，对应电极，参考电极）。包括培养皿型液体池。现代材料分析方法(10-AFM)銅板銅板銅板在溶液中产生电化学反応， in-situ观察表面形的变化。利用循环伏安法，在1mMKCL,5mMCuCl2溶液中
11、，从-600mV到800mV，重复3次时的形貌。（使用电化学溶液池和电化学控制附件）现代材料分析方法(10-AFM)可控气氛可控气氛SPMn特定气体气氛n气氛温度、湿度控制n样品加热、冷却n气体吹扫样品n光线照射样品等等现代材料分析方法(10-AFM)可控气氛可控气氛SPM在控制气氛下可以交換样品可以清洗、切割等前处理现代材料分析方法(10-AFM)碘化钾单晶碘化钾单晶(001)(001)潮解性非常強的碘化钾，在氩气中劈开，在露出的最表面，观察到原子阶梯（左）。另外，在真空中加热400，观察到表面重排列的(100)阶梯（右）。 (神戸大学 工学部 柳先生提供）现代材料分析方法(10-AFM)橡
12、胶橡胶相变化特殊的橡胶，在常温下（左）的观察像，以及，在100，加熱5分钟后（右）的观察像。清晰地观察到由于加熱而产生的表面形貌的变化。(使用样品加热单元)现代材料分析方法(10-AFM)形貌以外的信息nLFM：横向力显微镜nCurrent Imaging：电流測定nPhase Imaging：位相检测nForce Modulation：粘弹性測定nMFM：磁力显微镜nEFM：电位显微镜nNano Indentation：超微硬度測定nForce Curve：力曲线n现代材料分析方法(10-AFM)电流測定n接触模式观察，同時測定样品与探針之間流过的电流。激光I/V放大器偏压电压悬臂 （导电性
13、）样品样品座光电二极管放置样品座用的氧化铝台现代材料分析方法(10-AFM)SiSi上的上的SiOSiO2 2图图表面形貌像（左）上清晰地观察到SiO2部位。电流像（右）则明暗反转。基片上明显地观察到无电流的部分。（使用电流測定系统）现代材料分析方法(10-AFM) 磁力显微鏡（MFM）n将磁化悬臂离开样品表面扫描、根据漏磁場检测磁力，将样品的磁性信息图像化。观察硬盘与磁带的录制状态。悬臂扫描样品现代材料分析方法(10-AFM)硬盘硬盘表面形貌像（左），基片上的纹理，同一視野的MFM像（右）观察到磁性信息。（使用MFM系统）现代材料分析方法(10-AFM) 电位显微鏡（EFM）n动态模式观察，
14、同時測定样品表面的電位。锁相放大器光电二极管激光悬臂（导电性）样品交流电压直流电压现代材料分析方法(10-AFM)金属氧化膜金属氧化膜表面形貌像EFM（电位）像现代材料分析方法(10-AFM)位相检测（力成图）n滞后于谐振频率附近振动悬臂的位相的图像化。凝聚力、磨擦力、粘弹性等不同的表面物性的图像化。现代材料分析方法(10-AFM)再生紙再生紙表面形貌像（左）不清晰，位相像（右）中高分辩率地观察到纤维的微观结构。（使用位相检测系统）现代材料分析方法(10-AFM)苯乙烯苯乙烯/ /丁二烯嵌块共聚物丁二烯嵌块共聚物表面形貌像（左）不清晰，位相像（右）中苯乙烯与丁二烯清晰地物相分離。（使用位相检测
15、系统）现代材料分析方法(10-AFM)聚苯乙烯的层状结构聚苯乙烯的层状结构聚苯乙烯的层状结构聚苯乙烯的层状结构聚苯乙烯的表面観察，三维图像与粘弹性同時观察。弹性像（右）中观察到层状结构，白色部分为晶化而变硬。图像每边长。现代材料分析方法(10-AFM)力调制（粘弹性測定）n扫描过程中悬臂反复接触样品，根据反映，将振幅或位相分别图像化。聚合物与塑料，橡胶等样品表面不同的粘性、弹性的图像化。硬样品软样品现代材料分析方法(10-AFM)力调制（粘弹性測定）聚丙烯片聚丙烯片表面形貌像振幅像硬的软的 现代材料分析方法(10-AFM)超微硬度測定（纳米压痕硬度计）n超微硬度計（纳米压痕硬度计）n微观刻痕实
16、验现代材料分析方法(10-AFM)Triboscope的观察顺序硬度測定前扫描后扫描选择打圧痕的位置确认圧痕的状态Load-DisplacementLoad-DisplacementCurveCurve现代材料分析方法(10-AFM)Load-DisplacemenatCurve现代材料分析方法(10-AFM)应用（2）微观刻痕实验磨耗实验现代材料分析方法(10-AFM)力曲线測定现代材料分析方法(10-AFM)力曲线成图湿度湿度： ：1%RH1%RH以下以下湿度湿度： ：50%RH50%RH湿度湿度： ：80%RH80%RH単位：nN 电涂电涂型录象带的吸附力測定（型录象带的吸附力測定（1H
17、z1Hz、64646464点）点）（株式会社提供）现代材料分析方法(10-AFM)纳米碳管探针规格 多壁纳米碳管 尖端半径30nm长度 200nm2m 个4支针特点高分辩率長寿命高纵横比探針高観察纳米碳管探针纳米碳管探针纳米碳管探针纳米碳管探针销售中得到好评销售中得到好评销售中得到好评销售中得到好评（1999.121999.12开始销售开始销售）纳米碳管探针与原有的悬臂可以互换，适宜各种各样样品的表面形貌观察。现代材料分析方法(10-AFM)AFM 基本原理基本原理现代材料分析方法(10-AFM)AFM 应用应用现代材料分析方法(10-AFM)AFM 应用应用现代材料分析方法(10-AFM)AFM 应用应用现代材料分析方法(10-AFM)
