《扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术【深度讲解】》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【深度讲解】（52页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、原子力显微镜原子力显微镜Atomic Force Microscopy1 1详细课资详细课资主要内容发展历史基本原理应用2 2详细课资详细课资n nscanning tunneling Microscopy (STMscanning tunneling Microscopy (STM，19821982) )n nAtomic force microscopy (AFM)Atomic force microscopy (AFM)n nLateral Force Microscopy (LFM)Lateral Force Microscopy (LFM)n nMagnetic Force Micr
2、oscopy (MFM)Magnetic Force Microscopy (MFM)n nElectrostatic Force Microscopy (EFM)Electrostatic Force Microscopy (EFM)n nChemical Force Microscopy (CFM)Chemical Force Microscopy (CFM)n nNear Field Scanning Optical Microscopy Near Field Scanning Optical Microscopy (NSOM)(NSOM)扫描探针显微镜SPM SPMSPM是指在是指在S
3、TMSTM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。3 3详细课资详细课资 19861986，IBMIBM，葛葛宾尼（宾尼（G. BinnigG. Binnig）发明了原子发明了原子力显微镜力显微镜( (Atomic Force Microscope ,AFM)Atomic Force Microscope ,AFM)新一新一代表面观测仪器代表面观测仪器原理：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 D
4、er WaalsVan 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基本原理4 4详细课资详细课资基本原理原子间的作用力吸引部分排斥部分F pair d原子原子排斥力原子原子吸引力5 5详细课资详细课资samplescannercantileverphoto detectorlaser diode微悬臂激光二极管光电检测器6 6详细课资详细课资基本原理7 7详细课资详细课资AFMAFM信号反馈信号反馈模式模式基本原理8 8详细课资详细课资微悬臂位移量的检测方式微悬臂位移量的检测方式9 9详细课资详细课资力检测部分力检测部分光学检测部分光学检测部分反馈
5、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仪器构成1010详细课资详细课资n接触模接触模式式 (contact mode) (contact mode) n非非接触模接触模式式 (non-contact mode)(non-contact mode)n轻敲模轻敲模式式 (tapping (tapping / / intermittent contact intermittent contact mode)mode) van der Waals force curve工作模式1111详细课资详细课资 针尖始终向样品接触并简单地在表面上移动，针尖样品间的相互作用力是互
6、相接触原于的电子间存在的库仑排斥力，其大小通常为108 1011N。van der Waals force curve工作模式-接触模式d .nm 1212详细课资详细课资l优点：可产生稳定、高分辨图像。l缺点： 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，严重影响AFM成像质量。工作模式-接触模式1313详细课资详细课资 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：2nm5nm工作模式-非接触模式范德华吸引力 微悬臂以共振频率振荡，通过控制微悬臂振幅恒定来获得样品表面信息的。 1414详细课资详细课资
7、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）气体的表面压吸附到样品表面，造成图像成图像 数据不稳定和对样品的破坏。数据不稳定和对样品的破坏。 工作模式-非接触模式1515详细课资详细课资 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比非接触模式更大的振幅(5100nm)(5100nm)，针尖在振荡时间，针尖在振荡时间断地与样品接触。断地与样品接触。 van der Waa
8、ls force curve振幅：振幅：5nm 100nm工作模式-轻敲模式1616详细课资详细课资 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）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；样品的破坏几乎完全消失；工作模式-轻敲模式1717详细课资详细课资工作模式-轻敲模式1818详细课资详细课资1919详细课资详细课资2020详细课资详细课资相位成像相位成像(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
9、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. .2121详细课资详细课资基本原理2222详细课资详细课资基本原理2323详细课资详细课资原子力显微镜之解析度基本原理2424详细课资详细课资基本原理2525详细课资详细课资基本原理2626详细课资详细课资氮化氮化硅探针针尖放大图硅探针针尖放大图基本原理2727详细课资详细课资为克服为克服“加宽效应加宽效应”：n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，n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。 针
10、尖技术单碳纳米壁管单碳纳米壁管 直径直径0. 70. 75 nm5 nm基本原理2828详细课资详细课资AFMAFM技术的主要特点技术的主要特点: :优点优点: :n n制样相对简单制样相对简单, ,多数情况下对样品不破坏多数情况下对样品不破坏. .n n具有具有高分辨率，高分辨率，三三维立体维立体的成像能力的成像能力，n n可同时得到尽可能多的信息可同时得到尽可能多的信息. .n n操作简单操作简单, ,对附属设备要求低对附属设备要求低. .缺点缺点: :n n对试样仍有较高要求对试样仍有较高要求, ,特别是平整度特别是平整度. .n n实验结果对针尖有较高的依赖性实验结果对针尖有较高的依赖
11、性( (针尖效应针尖效应).).n n仍然属于表面表征技术仍然属于表面表征技术, ,需和其他测试手段结需和其他测试手段结合合. .2929详细课资详细课资主要内容发展历史工作原理应用3030详细课资详细课资原子力显微镜的应用原子力显微镜的应用金属半导体材料化学纳米材料生命科学微加工技术3131详细课资详细课资用AFM观察DNA双螺旋结构v 生物和生命科学3232详细课资详细课资用AFM观察细胞生长v 生物和生命科学3333详细课资详细课资用AFM观察集成电路的线路刻蚀情况v 微电子科学和技术3434详细课资详细课资高分子领域的应用高分子领域的应用3535详细课资详细课资聚合物膜表面形貌与相分离
12、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)/(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。3636详细课资详细课资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n n对非晶态聚合物膜对非晶态聚合物膜对非晶态聚合物膜对非晶态聚合物
13、膜, , , ,形貌图信息较为有限。形貌图信息较为有限。形貌图信息较为有限。形貌图信息较为有限。AFMAFMAFMAFM“相成相成相成相成像像像像”方式方式方式方式 (phase imaging)(phase imaging)(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，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度和粘弹性有关，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相对相对“平坦平坦平坦平坦”的情况下的情况
14、下的情况下的情况下, , , ,也能较好地反映出聚合物的相也能较好地反映出聚合物的相也能较好地反映出聚合物的相也能较好地反映出聚合物的相分离后分离后分离后分离后, , , ,不同类型聚合物的所在区域。不同类型聚合物的所在区域。不同类型聚合物的所在区域。不同类型聚合物的所在区域。3737详细课资详细课资高分子结晶形态观察高分子结晶形态观察3838详细课资详细课资n n聚苯乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯/ / / /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槽内分散槽内分散,
15、 , , ,而后在极低的表面压下而后在极低的表面压下而后在极低的表面压下而后在极低的表面压下(0.1(0.1(0.1(0.1/ / / /) ) ) )将分子沉将分子沉将分子沉将分子沉积在新鲜云母表面。积在新鲜云母表面。积在新鲜云母表面。积在新鲜云母表面。非晶态单链高分子结构观察非晶态单链高分子结构观察3939详细课资详细课资4040详细课资详细课资AFM在聚合物膜研究中的应用在聚合物膜研究中的应用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3 粗糙度研究粗糙度研究4141详细课资详细课资1 表面整体形态研究4242详细课资详细课资2
16、孔径孔径( (分布分布),),粒度（分布）研究粒度（分布）研究4343详细课资详细课资Section analysis of TM-AFM image.4444详细课资详细课资Tapping mode atomic force micrographs4545详细课资详细课资4646详细课资详细课资3 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、膜表面的污染的差异，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。程度和膜的水通量。4747详细课资详细课资 膜污染研究-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4848详细课资详细课资4949详细课资详细课资5050详细课资详细课资 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。5151详细课资详细课资n THE END！5252详细课资详细课资
