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1、原子力显微镜Atomic Force Microscope品质管理部信赖性管理科品质管理部信赖性管理科分析解析室分析解析室顾方晗顾方晗目录显微镜的发展史原子力显微镜的原理结构工作模式应用显微镜的发展历史光学显微镜光学显微镜透射电子显微镜透射电子显微镜扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜扫描电子显微镜扫描电子显微镜原子力显微镜原子力显微镜光学显微镜16世纪末，荷兰的眼镜商Zaccharias Janssen, 第一台复合式显微镜，倍数太低透射电子显微镜（TEM）n n19381938年，德国工程师年，德国工程师MaxKnollMaxKnoll和和ErnstRuskaErnstRuska制造出了世界上第一
2、台透制造出了世界上第一台透射电子显微镜（射电子显微镜（TEMTEM）。）。扫描电子显微镜（SEM）19521952年，英国工程师年，英国工程师Charles Charles OatleyOatley制造制造出了第一台扫描电子出了第一台扫描电子显微镜（显微镜（SEMSEM）。）。扫描隧道显微镜（STM）19831983年，年，IBMIBM公司苏黎世实公司苏黎世实验室的两位科学家验室的两位科学家GerdGerd BinnigBinnig和和Heinrich RohrerHeinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜发明了扫描隧道显微镜（STMSTM）。）。 STMSTM的原理是电子的的原理是电
3、子的“隧道隧道效应效应”，所以只能测导体，所以只能测导体和部分半导体。和部分半导体。原子力显微镜（AFM）19851985年，年，IBMIBM公司的公司的BinningBinning和和StanfordStanford大学的大学的QuateQuate研发出了原子力显微研发出了原子力显微镜（镜（AFMAFM），弥补了），弥补了STMSTM的的不足，可以用来测量任何不足，可以用来测量任何样品的表面。样品的表面。AFM的原理AFM是在STM的基础上发展起来的一种显微技术。那么，首先我们先来了解下STM的工作原理。STM是利用原子间的隧道效应进行测量的。隧道效应经典经典物理物理学认为，物体越过势垒，有
4、一阈值能量；粒子能量小于此能量则不学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如骑能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行车自行车过小坡，先用力骑，如果坡过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。停住，然后退回去。量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好像有一个隧道，故名隧道效应。就像粒子反弹，
5、还会有一些粒子能过去，好像有一个隧道，故名隧道效应。就像在山坡上开一隧道，自行车从中穿过一样。可见，宏观上的确定性在微观上在山坡上开一隧道，自行车从中穿过一样。可见，宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小，但在某些特丁的条件下宏观的隧道效应也会出现。效应，因为隧穿几率极小，但在某些特丁的条件下宏观的隧道效应也会出现。 STMSTM就是根据这种效应制成的。当针尖和样品面间距足够小时（就是根据这种效应制成的。当针尖和样品面间距足够小时（0.4nm0.4nm），）
6、，在针尖和样品间施加一偏置电压，便会产生隧道效应，电子会穿过势垒，在在针尖和样品间施加一偏置电压，便会产生隧道效应，电子会穿过势垒，在针尖和样品间流动，形成隧道电流。在相同的偏置电压下，电流强度对针尖针尖和样品间流动，形成隧道电流。在相同的偏置电压下，电流强度对针尖和样品间的距离十分敏感，隧道电流随间距呈指数变化，样品表面的形貌影和样品间的距离十分敏感，隧道电流随间距呈指数变化，样品表面的形貌影响着隧道电流的剧烈变化，这种电流变化有计算机进行处理就可以的到样品响着隧道电流的剧烈变化，这种电流变化有计算机进行处理就可以的到样品表面的形貌了。表面的形貌了。STM的结构与工作过程带电极的压电管（根据
7、隧道电流的的大小随时调整针尖和样品的距离，以保持隧道电流的恒定）压电管控制电压隧道电流放大器距离控制和扫描单元隧道电压（用以产生隧道效应）数据处理及显示AFMAFM的基本原理的基本原理AFMAFM是在是在STMSTM的基础上发展起来的。所不同的基础上发展起来的。所不同的是，它不是利用电子隧道效应，而是利用的是，它不是利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范德华力（原子之间的范德华力（VanVanDerDerWaalsWaalsForceForce）作用来呈现样品的表面特性。）作用来呈现样品的表面特性。假设两个原子中，一个是在悬臂的探针尖端，假设两个原子中，一个是在悬臂的探针尖端，另一个是在样本的
8、表面，它们之间的作用力另一个是在样本的表面，它们之间的作用力会随距离的改变而变化，其作用力与距离的会随距离的改变而变化，其作用力与距离的关系如右图所示，当原子与原子很接近时，关系如右图所示，当原子与原子很接近时，彼此电子云斥力的作用大于原子核与电子云彼此电子云斥力的作用大于原子核与电子云之间的吸引力作用，所以整个合力表现为斥之间的吸引力作用，所以整个合力表现为斥力的作用，反之若两原子分开有一定距离时，力的作用，反之若两原子分开有一定距离时，其电子云斥力的作用小于彼此原子核与电子其电子云斥力的作用小于彼此原子核与电子云之间的吸引力作用，故整个合力表现为引云之间的吸引力作用，故整个合力表现为引力的
9、作用。若以能量的角度来看，这种原子力的作用。若以能量的角度来看，这种原子与原子之间的距离与彼此之间能量的大小也与原子之间的距离与彼此之间能量的大小也可从可从LennardLennardJonesJones的公式中到另一种印证。的公式中到另一种印证。从公式中知道，当从公式中知道，当 r r降低到某一程度时其能降低到某一程度时其能量为量为+E+E，也代表了在空间中两个原子是相当，也代表了在空间中两个原子是相当接近且能量为正值，若假设接近且能量为正值，若假设 r r增加到某一程增加到某一程度时，其能量就会为度时，其能量就会为-E-E同时也说明了空间中同时也说明了空间中两个原子之间距离相当远的且能量为
10、负值。两个原子之间距离相当远的且能量为负值。不管从空间上去看两个原子之间的距离与其不管从空间上去看两个原子之间的距离与其所导致的吸引力和斥力或是从当中能量的关所导致的吸引力和斥力或是从当中能量的关系来看，原子力显微镜就是利用原子之间微系来看，原子力显微镜就是利用原子之间微妙的关系来把原子样子给呈现出来。妙的关系来把原子样子给呈现出来。：原子的直径r：原子之间的距离AFM工作过程原子力显微镜的基本原理是：将一个对原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖
11、尖端原子与样品表面轻接触，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，通过在扫原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面点的位置变化，从而可以获得样品表面的形貌。的形貌。获得样品表面形貌是通过检测微悬梁位获得样品表面形貌是通过
12、检测微悬梁位置的变化而实现的。检测微悬梁位置变置的变化而实现的。检测微悬梁位置变化的主要有：隧道电流法和激光检测法。化的主要有：隧道电流法和激光检测法。AFM探针的针尖探针的针尖隧道电流法：隧道电流法：隧道电流法：隧道电流法：是基于是基于STMSTM原理实现的。可将微悬梁看原理实现的。可将微悬梁看成样品，在微悬梁上还有一微小探针接触。成样品，在微悬梁上还有一微小探针接触。微悬梁和探针间施、加一偏置电压，他们之微悬梁和探针间施、加一偏置电压，他们之间便产生了隧道电流。当微悬梁因为和样品间便产生了隧道电流。当微悬梁因为和样品间的原子间力的作用而位置发生改变，那么间的原子间力的作用而位置发生改变，那
13、么他和探针之间的位置也发生相应的变化，导他和探针之间的位置也发生相应的变化，导致隧道电流发生指数级的变化，那么测量原致隧道电流发生指数级的变化，那么测量原理就变成了理就变成了STMSTM的测量原理了。的测量原理了。激光检测法激光检测法激光检测法激光检测法二极管激光器发出的激光束经过光学系统二极管激光器发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂背面，并从微悬臂背面反射到聚焦在微悬臂背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器。在样由光电二极管构成的光斑位置检测器。在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随针尖端的
14、原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。目前的息。目前的AFMAFM都是采用这种检测模式。都是采用这种检测模式。激光检测激光检测AFM基本原理图基本原理图检检测测激激光光光光斑斑位位置置的的光光电电二二极极管管AFMAFM的硬件结构的硬件结构力检测系统力检测系统力检测系统力检测系统在在AFMAFM的系统中，所要检测的力是原子与原子之间的系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范
15、德华力。所以在本系统中是使用微小悬臂来检测的范德华力。所以在本系统中是使用微小悬臂来检测原子之间力的变化量。这微小悬臂有一定的规格，例原子之间力的变化量。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。而选择不同类型的探针。 位置检测部分：位置检测部分：位置检测部分：位置检测部分：在在AFMAFM的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂摆动，所以当激光照射在
16、悬臂的末之后，会使得悬臂摆动，所以当激光照射在悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供供SPMSPM控制器作信号处理。控制器作信号处理。反馈系统：反馈系统：反馈系统：反馈系统：在在AFMAFM的系统中，将信号经由激光检测器取入之的系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，
17、作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持合适的作用器做适当的移动，以保持样品与针尖保持合适的作用力。力。AFM便是结合以上三个部分来将样品的表面特性呈现出来的：在AFM的系统中，使用微小悬臂来感测针尖与样品之间的交互作用，这作用力会使微悬梁摆动，再利用激光将光照射在微悬梁的末端，当摆动形成时，会使反射光的位置改变而造成偏移量，此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的方式给呈现出来。AFMAFM的几种工作模式的几种工作模式接触模式：
18、接触模式：接触模式：接触模式：微悬臂探针紧压样品表面，检测时与样品保持接触，作用力（斥力）通过微悬臂的变形进行测量。 该模式下，针尖与样品表面相接触，分辨率高，但成像时针尖对样品的作用力较大，适合表面结构稳定的样品。轻敲模式：轻敲模式：轻敲模式：轻敲模式：用处于共振状态、上下振荡的微悬臂探针对样品表面进行扫描，样品表面起伏使微悬臂探针的振幅产生相应变化，从而得到样品的表面形貌。 该模式下，扫描成像时针尖对样品进行“敲击”，两者间只有瞬间接触，能有效克服接触模式下因针尖的作用力，尤其是横向力引起的样品损伤，适合于柔软或吸附样品的检测。相位移模式相位移模式相位移模式相位移模式 作为轻敲模式的一项重
19、要扩展技术，相移模式(相位移模式)通过检测驱动微悬臂探针振动的信号源的相位角与微悬臂探针实际振动的相位角之差（即两者的相移）的变化来成像。 引起该相移的因素很多，如样品的组分、硬度、粘弹性质等。因此利用相移模式(相位移模式)，可以在纳米尺度上获得样品表面局域性质的丰富信息。迄今相移模式(相位移模式)已成为原子力显微镜的一种重要检测技术。AFMAFM的应用的应用小尺寸样品的观察：小尺寸样品的观察：小尺寸样品的观察：小尺寸样品的观察：适用于观察原子级样品，适用于观察原子级样品，DNADNA分子等，在纳米材料科学、分子生物学、仿分子等，在纳米材料科学、分子生物学、仿生学等研究领域有广泛研究。生学等研究领域有广泛研究。原子力显微镜对金的观测原子力显微镜对金的观测烟草花叶病毒扫描图烟草花叶病毒扫描图沉积于云母片上的抗体分子的沉积于云母片上的抗体分子的 AFMAFM成像成像纳米加工：纳米加工：利用利用AFMAFM可以对样品进行表面原子搬运，原子蚀刻，从而制造纳米器件。可以对样品进行表面原子搬运，原子蚀刻，从而制造纳米器件。用AFM针尖移动Si原子形成的IBM文字STM针尖移动原子形成的图形文字
