原子力显微镜原理

原子力显微镜

原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）起源于扫描隧道显微镜技术，属于扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope, SPM）家族中的一种。它广泛应用于生物、物质结构、分子生物学等领域，在蛋白单分子结构与功能研究中得到广泛地应用[i]。和经典的透射电镜相比，AFM不受成像环境限制、无需采用重金属喷涂或染色来提高成像反差，并且分辨率高。AFM与传统的X射线衍射、核磁共振、旋光色散等方法相比，具有分辨率高、制样简单以及在保持生物活性下成像等优点。

1.1 AFM的原理

AFM通过探测探针与被测样品之间微弱的相互作用力(原子力)来获得物质表面形貌的信息，分辨率可达原子级水平。

AFM采用显微制作的探针扫描待测样品表面，探针被固定在一根有弹性的悬臂的末端，悬臂通常由金和硅的材料制成。探针在样品表面扫描时，测量探针与样品之间的相互作用力，随着针尖与样品表面之间距离的不同，相应产生微小的作用力，就会引起悬臂的偏转。反馈电路通过控制扫描头在垂直方向上的移动，使扫描过程中每一点( x, y)上探针和样品之间的作用力保持恒定;当激光束照射在悬臂的末端，经反射进入光电检测器。针尖与样品表面的距离不同使得激光束的方向发生改变，这就使光电检测器接收到的信号变化，送入计算机的电脉冲也产生相应的变化，检测器将反射的激光束转化成电脉冲，电脉冲信号经过计算机处理，然后计算机将这些信息转换成或明或暗的区域，这样扫描头在每一点( x, y)上的垂直位置被记录，作为样品表面形貌成像的原始数据，从而产生了有明暗对比度的样品的表面形貌图像，可得到样品表面的三维形貌图像[ii]。

AFM的观测模式有三种:接触(contact mode)、非接触式(non contact mode)和轻敲(tapping

mode)。在接触模式中，尖端始终与样品表面接触，而非接触模式中，悬于空气中的尖端仅于样品表面吸附水层接触而不与样品接触。轻敲模式中，尖端与样品间歇接触，通常每秒接触300000次，减少接触模式中产生的剪切力对于样品的破坏，这种模式通常适宜那些质地偏软的食品和生物样品[iii]。

1 / 3 原子力显微镜的原理及使用

通过近代物理实验课的学习，了解了许多仪器的工作原理以及使用方法，对今后的科研学习有很大的帮助。其中原子力显微镜就是其中之一，对于做材料方面的专业来说，原子力显微镜在表征物质的表面结构及性质起着重要的作用。前段时间我们利用AFM对用RF磁控溅射制备的PZT薄膜进行了表征，通过对AFM的使用并查找相关文献，使我对原子力显微镜有了更加深刻的认识。

原子力显微镜，英文：Atomic Force Microscope ，简写：AFM。是一种利用原子,分子间的相互作用力来观察物体表面微观形貌的新型实验技术.它有一根纳米级的探针,被固定在可灵敏操控的微米级弹性悬臂上.当探针很靠近样品时,其顶端的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲,偏离原来的位置.根据扫描样品时探针的偏离量或振动频率重建三维图像.就能间接获得样品表面的形貌或原子成分。

它主要由带针尖的微悬臂、微悬臂运动检测装置、监控其运动的反馈回路、使样品进行扫描的压电陶瓷扫描器件、计算机控制的图像采集、显示及处理系统组成。微悬臂运动可用如隧道电流检测等电学方法或光束偏转法、干涉法等光学方法检测，当针尖与样品充分接近相互之间存在短程相互斥力时，检测该斥力可获得表面原子级分辨图像，一般情况下分辨率也在纳米级水平。AFM测量对样品无特殊要求，可测量固体表面、吸附体系等。

一、仪器结构：

在原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。

1、力检测部分

在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是使用微小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变化量。微悬臂通常由一个一般100~500μm长和大约500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品－针尖间的相互作用力。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。

原子力显微镜

一、实验目的

1了解原子力显微镜的工作原理

2掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法

二、实验原理 1. AFM基本原理 原子力显微镜的工作原理就是将探针装在一弹性微悬臂的一端，微悬臂的另一端固定，当探针在样品表面扫描时，探针与样品表面原子间的排斥力会使得微悬臂轻微变形，这样，微悬臂的轻微变形就可以作为探针和样品间排斥力的直接量度。一束激光经微悬臂的背面反射到光电检测器，可以精确测量微悬臂的微小变形，这样就实现了通过检测样品与探针之间的原子排斥力来反映样品表面形貌和其他表面结构。 在原子力显微镜的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。如图一显示。1）力检测部分 在原子力显微镜系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。使用微悬臂来检测原子之间力的变化量。如图2所示，微悬臂通常由一个一般100～500μm长和大约500nm～5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品－针尖间的相互作用力。（2）位置检测部分 在原子力显微镜系统中，当针尖与样品之间有了作用之后，会使得悬臂摆动，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，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，以供SPM控制器作信号处理。聚焦到微悬臂上面的激光反射到激光位置检测器，通过对落在检测器四个象限的光强进行计算，可以得到由于表面形貌引起的微悬臂形变量大小，从而得到样品表面的不同信息。（3）反馈系统 在原子力显微镜系统中，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，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。2.AFM 有三种不同的工作模式: 接触模式( contact mode) 、非接触模式(noncontact mode) 和共振模式或轻敲模式(Tapping Mode) 。（1）接触模式： 从概念上来理解，接触模式是AFM最直接的成像模式。AFM 在整个扫描成像过程之中，探针针尖始终与样品表面保持亲密的接触，而相互作用力是排斥力。 扫描时，悬臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构，因此力的大小范围在10 - 10～10 - 6 N。 若样品表面柔嫩而不能承受这样的力，便不宜选用接触模式对样品表面进行成像。（2）非接触模式 非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方5～10 nm 的距离处振荡。 这时，样品与针尖之间的相互作用由范德华力控制，通常为10 - 12 N ，样品不会被破坏，而且针尖也不会被污染，特别适合于研究柔嫩物体的表面。 这种操作模式的不利之处在于要在室温大气环境下实现这种模式十分困难。因为样品表面不可避免地会积聚薄薄的一层水，它会在样品与针尖之间搭起一小小的毛细桥，将针尖与表面吸在一起，从而增加尖端对表面的压力。（3）敲击模式在敲击模式中，一种恒定的驱使力使探针悬臂以一定的频率振动。当针尖刚接触样品时，悬臂振幅会减少到某一数值。在扫描过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒定，亦即作用在样品上的力恒定，通过记录压电陶瓷管的移动得到样品表面形貌图。对于接触模式，由于探针和样品间的相互作用力会引起微悬臂发生形变，也就是说微悬臂的形变作为样品和针尖相互作用力的直接度量。同上述轻敲式，反馈系统保持针尖—样品作用力恒定从而得到表面形貌图。

2015年秋季学期研究生课程考核

（读书报告、研究报告）

考核科目 : 原子力显微镜的工作原理及基本操作

学生所在院（系） :

学生所在学科 :

学 生 姓 名 :

学 号 :

学 生 类 别 :应用型

考核结果 阅卷人

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原子力显微镜的工作原理及基本操作

一、实验目的

1.了解原子力显微镜的工作原理

2.掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法

二、原子力显微镜结构及工作原理

2.1 AFM的工作原理

AFM是用一个一端装有探针而另一端固定的弹性微悬臂来检测样品表面信息的，当探针扫描样品时，与样品和探针距离有关的相互作用力作用在针尖上，使微悬臂发生形变。AFM系统就是通过检测这个形变量，从而获得样品表面形貌及其他表面相关信息

1.原子力作用机制

当两个物体的距离小到一定程度的时候，它们之间将会有原子力作用．这个力主要与针尖和样品之间的距离有关． 从对微悬臂形变的作用效果来分，可简单将其分为吸引力和排斥力，它们分别在不同的工作模式下、不同的作用距离起主导作用．探针与样品的距离不同，作用力的大小也不相同，针尖/样品距离曲线如图1所示．

图1 针尖/样品距离曲线

2.原子力显微镜的成像原理

AFM的微悬臂绵薄而修长，当对样品表面进行扫描时，针尖与样品之间力的作用会使微悬臂发生弹性形变，针尖碰到样品表面时，很容易弹起和起伏，它非常的灵敏，极小的力的作用也能反应出来．也就是说如果检测出这种形变，就可以知道针尖－样品间的相互作用力，从而得知样品的形貌。 3

图2 光束偏转法的原理图

微悬臂形变的检测方法一般有电容、隧道电流、外差、自差、激光二极管反馈、偏振、偏转方法。偏转方法是采用最多的方法，也是原子力显微镜批量生产所采用的方法．图2就是光束偏转法的原理图。