AFM_原子力显微镜简介(1)概述

原子力显微镜的概述
原子力显微镜是以扫描隧道显微镜基本原理发展起来的扫描探针
显微镜。

原子力显微镜的出现无疑为纳米科技的发展起到了推动作用。

原子力显微镜（Atomic Force Microscope ，AFM），一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。

它通过检测待测样品表面和一个微型敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研
究物质的表面结构及性质。

将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。

扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面形貌结构信息及表面粗糙度信息。

相对于扫描电子显微镜，原子力显微镜具有许多优点。

不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM提供真正的三维表面图。

同时，AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。

第三，电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。

这样可以用来研究生物宏观分子，甚至是活的生物组织。

1。

原子力显微镜原理介绍原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种利用原子力相互作用的显微镜，可以在原子尺度上对样品表面进行高分辨率的成像。

AFM具有高分辨率、高灵敏度、无需对样品进行特殊处理等优点，被广泛应用于材料科学、生物科学等领域。

AFM的原理基于力电荷耦合作用。

当扫描探针和样品表面之间存在距离时，由于它们之间的静电力、范德华力及表面张力等作用，会使探针弯曲。

AFM通过在探针上施加压电力来对探针进行调节，使与样品表面的相互作用力保持恒定，从而测量得到探针的形变信息。

通过对形变信息的处理，可以得到样品表面的三维拓扑图像。

AFM的核心组成部分是扫描探头和力传感器。

扫描探头通常由一个尖端和一段弯曲的弹簧杆组成。

尖端的大小一般在纳米尺度，可以用于成像不同大小和形状的样品。

弹簧杆的弯曲情况则是通过力传感器来测量的。

在AFM操作过程中，首先将样品固定在一个大型可移动的扫描平台上。

然后，将扫描探头靠近样品表面，使其与样品之间的距离保持在1-10纳米的量级范围内。

通过扫描平台的控制，可以使探针在样品表面上进行扫描。

当探针在样品表面上移动时，它所受到的相互作用力会随着扫描位置的改变而改变。

根据探针的形变，可以准确测量样品表面的高程和形貌信息。

AFM可以通过不同的模式进行操作，常见的模式包括接触模式、非接触模式和振动模式等。

接触模式是最常用的模式，通过将探针与样品表面保持接触，测量形变信息。

非接触模式则是通过探针与样品表面之间的范德华力进行作用，避免了对样品的破坏。

振动模式则是通过控制探针的共振频率来得到形变信息。

AFM不仅可以提供样品表面形貌信息，还可以测量样品的力学性质。

通过改变探针与样品表面之间的相互作用力的大小和方向，可以测量样品的硬度、弹性模量等力学参数。

总之，原子力显微镜是一种利用原子力相互作用实现高分辨率成像的显微镜。

通过测量探针的形变信息，可以获得样品表面的三维拓扑图像和力学性质。

原子力显微镜技术的使用方法概述原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是一种重要的纳米测量技术，它通过感应式测量原理，能够对样品表面的形貌和力学性质进行非接触式的高分辨率测量。

本文将概述原子力显微镜技术的使用方法。

一、概述原子力显微镜技术原子力显微镜技术是1986年由盖宝集团的格尔班教授和夏佐夫教授等人开发成功的。

它基于原子到纳米尺度的力学相互作用，通过探针与样品之间的相互作用力，以非接触式测量的方式获取样品表面的形貌和力学性质。

相对于传统的光学显微镜和电子显微镜，原子力显微镜在分辨率和测量范围上都具有明显优势。

二、原子力显微镜的工作原理原子力显微镜主要由扫描探针、三维扫描装置和检测系统等部分组成。

它通过探针与样品之间的相互作用力来探究样品表面的细节。

当探针在样品表面扫描时，探针与样品表面的相互作用力会产生微小的弯曲变形。

利用悬臂悬浮的原理，通过悬臂上的激光束来检测探针的弯曲变形，并将这些变化转化为图像和数据。

三、原子力显微镜的使用方法1. 样品准备：在使用原子力显微镜之前，需要对样品进行适当的准备。

首先，清洁样品表面，移除附着在表面上的杂质和污染物。

其次，使样品变得光滑平整，以便更好地观察其表面形貌。

2. 系统调试：在开始实验之前，对原子力显微镜系统进行调试是必要的。

首先，调整探针的接触力，使其在与样品表面接触时不会对样品表面造成损伤。

其次，进行悬臂的校准，以确保探针位置的准确度和稳定性。

3. 参数设置：在进行原子力显微镜实验时，需要设置合适的参数。

这包括扫描速度、扫描范围和像素分辨率等。

根据需要观察的特定表面特征，调整这些参数以获得清晰的图像。

4. 实验操作：将样品放置在原子力显微镜的扫描台上，并根据需要选择适当的观察模式，如接触模式、非接触模式、磁力模式等。

控制系统开始进行扫描，并记录相应的数据。

5. 数据分析：通过原子力显微镜获得的数据可以进行各种分析和处理。

原子力显微镜法原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，简称AFM）是一种高分辨率的表面形貌和力学特性测量技术。

它通过在探针和样品表面之间施加微小的力量，利用谐振频率变化的检测原理获得样品表面的拓扑信息，从而实现纳米尺度的观测和测量。

本文将介绍 AFM 的基本原理、操作流程及其在纳米科学与纳米技术领域的应用。

一、基本原理原子力显微镜是基于探针与样品表面之间相互作用力的测量原理工作的。

探针端通过弹性变形受到样品表面的力作用，且力与距离成反比。

AFM以原子尺度的分辨率测量表面形貌，使用悬臂梁弹簧探针，通过测量力传感器的弯曲程度得到样品表面的高低起伏。

由于探针尖端可以被加工成非常尖锐的形状，所以可以实现纳米级别的表面成像。

二、操作流程1. 样品准备：将待测样品表面进行清洗和处理，确保表面干净平整。

2. 探针安装：选择合适的探针并安装在原子力显微镜仪器上。

3. 探针校准：使用标定样品或试样进行探针的校准调整，以确保测量结果的准确性。

4. 调整参数：根据样品的特性和需要测量的参数，进行原子力显微镜的工作参数设置。

5. 表面成像：将样品放置在仪器台面上，通过控制探针的移动和扫描模式，实现对样品表面的成像。

6. 数据分析：对得到的图像进行处理和分析，提取所需的拓扑和力学信息。

三、应用领域原子力显微镜法在纳米科学与纳米技术领域有着广泛的应用。

1. 表面形貌分析：原子力显微镜可以实现对材料表面的纳米级别形貌观测，如纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜等的形貌表征。

2. 纳米力学性质研究：通过在原子力显微镜中加入力曲线扫描模式，可以测量材料的力学性质，如硬度、弹性模量等。

3. 表面化学成分分析：结合原子力显微镜与其他表征手段，如扫描电子显微镜、能谱分析等，可以实现对样品表面化学成分的分析。

4. 生物医学应用：原子力显微镜可实现对生物分子及细胞的高分辨率成像和测量，对生物医学研究具有重要意义。

5. 纳米加工与纳米制造：利用原子力显微镜的扫描控制功能，可以进行纳米级别的构筑、雕刻和操控，用于纳米加工技术和纳米器件制造。

化学物质的原子力显微镜原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种能够获得材料表面拓扑结构信息的先进纳米分析仪器。

利用其高分辨率的成像能力，我们可以观察和研究化学物质的微观结构和性质。

本文将介绍原子力显微镜的工作原理、应用领域以及未来的发展趋势。

一、工作原理原子力显微镜是一种基于在原子尺度上感知力的技术。

其工作原理可以简单概括为通过探针与样品表面之间的相互作用来获取样品表面形貌信息。

其关键部件是一个高精度的微悬臂，类似一个弹簧，其尖端装配有一个纳米级的探针。

当探针靠近样品表面时，通过悬臂的微弯变化，可以感知到与样品表面的相互作用力。

通过记录探针与样品的相对位置变化，就可以重构出样品的表面形貌。

二、应用领域1. 材料科学研究：原子力显微镜可以帮助我们观察材料的晶格结构、表面形貌和纳米尺度下的力学性质。

这对于材料研究和新材料的开发具有重要意义。

2. 纳米电子学：原子力显微镜可以在纳米尺度上探测和调控器件的结构和性能。

这对于纳米电子器件的设计和制备具有重要的参考价值。

3. 生物医学领域：原子力显微镜可用于研究生物材料的表面形貌、细胞力学性质和蛋白质折叠状态。

这对于生物医学研究、药物开发和疾病诊断具有重要作用。

三、未来发展趋势1. 高速成像：目前，原子力显微镜的成像速度相对较慢，通常需要几分钟到几小时来获得一张高质量的成像图像。

未来的发展方向是提高成像速度，实现快速、实时的成像。

2. 多模式集成：当前的原子力显微镜通常只能提供一种成像模式，如接触模式或非接触模式。

未来的发展方向是实现多模式集成，使得同一台仪器能够提供多种不同的成像模式。

3. 原位测量：原子力显微镜通常是在大气环境下进行成像，而在许多应用领域，如材料科学和生物医学，所研究的样品往往需要在真空、高温或湿润等特殊环境下进行测量。

未来的发展方向是实现原位测量，使得原子力显微镜能够适应更多的实际应用需求。

结语原子力显微镜作为一种强大的纳米级成像工具，已经在许多领域展现出巨大的潜力。

原子力显微镜(AFM)原理一、原理原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由IBM公司的Binnig与史丹佛大学的Quate于一九八五年所发明的，其目的是为了使非导体也可以采用扫描探针显微镜（SPM）进行观测。

图1、原子与原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离的不同而有所不同，其之间的能量表示也会不同。

原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）最大的差别在于并非利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范德华力（Van Der Waals Force）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（cantilever）的探针尖端，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，其作用力与距离的关系如“图1”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，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可从Lennard –Jones的公式中到另一种印证。

为原子的直径为原子之间的距离从公式中知道，当r降低到某一程度时其能量为+E，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r增加到某一程度时，其能量就会为-E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负值。

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系来看，原子力显微镜就是利用原子之间那奇妙的关系来把原子样子给呈现出来，让微观的世界不再神秘。

在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间交互作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。

所以在原子力显微镜中也利用斥力与吸引力的方式发展出两种操作模式：（1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜（contact AFM），探针与试片的距离约数个Å。

原子力显微镜原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种高分辨率的显微镜技术，通过探针与样品表面的相互作用，可以获取纳米级的表面形貌和力学性质信息。

本文将介绍原子力显微镜的原理、应用以及未来的发展前景。

一、原理原子力显微镜的工作原理基于触针与样品表面的相互作用力，通过探测器对这种相互作用力进行检测和测量。

主要包括力探头、支撑结构、扫描部件、力传感器等多个部分。

当力探头接近样品表面时，表面原子与力探头上的原子之间会发生排斥或吸引的作用力，力探头被弯曲，力的大小和方向与样品表面的形貌和力学性质有关，通过探测器的测量，可以得到样品表面精细的拓扑信息。

二、应用领域原子力显微镜在材料科学、生物科学、纳米技术等领域有着广泛的应用。

1. 材料科学原子力显微镜可以用于材料的表面结构和形貌研究。

通过观察样品表面的凹凸不平、纳米级的颗粒分布等可以得到材料的表面形貌信息。

同时，还可以通过测量样品表面的硬度和弹性模量来评估材料的力学性质。

2. 生物科学生物领域中，原子力显微镜可以用于观察和研究生物分子的结构和相互作用。

通过将生物样品固定在一个稳定的平台上，可以观察到生物分子的三维结构，从而研究其功能和性质。

此外，原子力显微镜还可以用于细胞力学性质的研究，例如细胞的刚度、粘附性等。

3. 纳米技术在纳米技术领域，原子力显微镜扮演着重要的角色。

可以利用原子力显微镜来观察纳米颗粒的形貌、尺寸和分布，对纳米结构进行表征和分析。

此外，原子力显微镜还可以用于纳米加工、纳米操纵等方面的研究。

三、未来发展前景原子力显微镜作为一种重要的纳米级表征工具，其发展前景非常广阔。

1. 提高分辨率随着技术的不断发展，原子力显微镜的分辨率得到了大幅度的提高。

未来，我们可以预期原子力显微镜的分辨率将越来越高，可以观察到更加微小的结构和表面特征。

2. 多种模式的结合目前已经存在多种不同的原子力显微镜工作模式，例如接触模式、非接触模式、谐振模式等。

牛津仪器原子力显微镜中文说明书第一章：概述牛津仪器原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种高分辨率的显微镜，它利用原子力和距离探测技术，能够对样品表面进行高精度的成像和测量。

AFM不同于传统的光学显微镜，它可以在纳米尺度下观察和研究样品的表面形貌和物理性质。

第二章：原理AFM的工作原理基于原子力相互作用和力探测技术。

通过将探针靠近样品表面，并测量探针与样品之间的相互作用力，可以得到样品表面的拓扑图像。

AFM的探测器通常采用悬臂梁或压电晶体，通过探针的弯曲或振动来检测相互作用力的变化。

第三章：仪器结构AFM主要由扫描单元、探针、力传感器、控制电路和图像处理系统等组成。

扫描单元负责探针在样品表面的扫描运动，探针则负责与样品表面相互作用。

力传感器用于测量探针与样品之间的相互作用力，控制电路则负责对传感器信号进行处理和控制。

图像处理系统用于将探测到的信号转化为样品表面的图像。

第四章：操作流程使用AFM时，首先需要将样品固定在扫描平台上，并调整扫描范围和扫描速度。

接下来，调节探针使其与样品表面接触，并通过力传感器调整扫描力。

随后，启动扫描单元，开始对样品表面进行扫描。

扫描完成后，通过图像处理系统可以获得样品表面的拓扑图像。

第五章：应用领域AFM广泛应用于纳米科学、材料科学、生物科学等领域。

在纳米科学中，AFM可以用于研究纳米材料的形貌和性质，如纳米颗粒、纳米管等。

在材料科学中，AFM可以用于表征材料的表面粗糙度、硬度等参数。

在生物科学中，AFM可以用于观察生物分子的结构和相互作用。

第六章：技术发展趋势随着纳米科学和纳米技术的发展，AFM也在不断演进和改进。

目前，已经出现了多种改进型AFM，如近场原子力显微镜（SNOM）和电势原子力显微镜（EFM）。

这些改进型AFM在分辨率、成像速度和功能方面都有所提升，进一步拓宽了AFM的应用范围。

结论牛津仪器原子力显微镜是一种高分辨率的显微镜，通过原子力相互作用和距离探测技术，可以对样品表面进行高精度的成像和测量。

AFM全称Atomic Force Microscope，即原子力显微镜，它是继扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope）之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器，可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵；现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研究和科研院所各种纳米相关学科的研究实验等领域中，成为纳米科学研究的基本工具。

AFM是由G.Binning在STM的基础上于1986年发明的表面观测仪器。

AFM=Atomic Force Microscope（原子力显微镜）。

原子力显微镜与扫描隧道显微镜相比，由于能观测非导电样品，因此具有更为广泛的适用性。

当前在科学研究和工业界广泛使用的扫描力显微镜（Scanning Force Microscope），其基础就是原子力显微镜。

原理：当原子间距离减小到一定程度以后，原子间的作用力将迅速上升。

因此，由显微探针受力的大小就可以直接换算出样品表面的高度，从而获得样品表面形貌的信息。

分类﹕(1) 接触式﹕利用探针和待测物表面之原子力交互作用(一定要接触)，此作用力(原子间的排斥力)很小，但由于接触面积很小，因此过大的作用力仍会损坏样品，尤其对软性材质，不过较大的作用力可得较佳分辨率，所以选择较适当的作用力便十分的重要。

由于排斥力对距离非常敏感，所以较易得到原子分辨率。

(2) 非接触式﹕为了解决接触式之AFM 可能破坏样品的缺点，便有非接触式之AFM 被发展出来，这是利用原子间的长距离吸引力来运作，由于探针和样品没有接触，因此样品没有被破坏的问题，不过此力对距离的变化非常小，所以必须使用调变技术来增加讯号对噪声比。

在空气中由于样品表面水模的影响，其分辨率一般只有50nm，而在超高真空中可得原子分辨率。

(3) 轻敲式﹕将非接触式AFM 改良，将探针和样品表面距离拉近，增大振福，使探针再振荡至波谷时接触样品由于样品的表面高低起伏，使的振幅改变，再利用接触式的回馈控制方式，便能取得高度影像。

原子力显微镜(AFM)原理一、原理原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由IBM公司的Binnig和史丹佛大学的Quate于一九八五年所发明的，其目的是为了使非导体也可以采用扫描探针显微镜（SPM）进行观测。

图1、原子和原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离的不同而有所不同，其之间的能量表示也会不同。

原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）最大的差别在于并非利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范德华力（Van Der Waals Force）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（cantilever）的探针尖端，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，其作用力和距离的关系如“图1”所示，当原子和原子很接近时，彼此电子云斥力的作用大于原子核和电子云之间的吸引力作用，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，其电子云斥力的作用小于彼此原子核和电子云之间的吸引力作用，故整个合力表现为引力的作用。

若以能量的角度来看，这种原子和原子之间的距离和彼此之间能量的大小也可从Lennard –Jones的公式中到另一种印证。

为原子的直径为原子之间的距离从公式中知道，当r降低到某一程度时其能量为+E，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r增加到某一程度时，其能量就会为-E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负值。

不管从空间上去看两个原子之间的距离和其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那奇妙的关系来把原子样子给呈现出来，让微观的世界不再神秘。

在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针和待测物之间交互作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。

所以在原子力显微镜中也利用斥力和吸引力的方式发展出两种操作模式：（1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜（contact AFM），探针和试片的距离约数个Å。

一、原子力显微镜简介原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM），一种可用来研究包括导体、半导体和绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。

它的横向分辨率可达0.15m，而纵向分辨率可达0.05m，AFM最大的特点是可以测量表面原子之间的力，AFM可测量的最小力的量级为10-14-10-16N。

AFM还可以测量表面的弹性，塑性、硬度、黏着力等性质，AFM还可以在真空，大气或溶液下工作，也具有仪器结构简单的特点，在材料研究中获得了广泛的研究。

它与其他显微镜相比有明显不同，它用一个微小的探针来”摸索”微观世界，AFM超越了光和电子波长对显微镜分辨率的限制，在立体三维上观察物质的形貌，并能获得探与样品相互作用的信息，典型AFM的侧向分辨率（x，y）可达到2nm，垂直分辩牢（方间）小于0。

1mmAFM具有操作客易、样品准备简单、操作环境不受限制、分辨率高等优点。

二、原子力显微镜的基本原理AFM中为检测出表面力而精细加工的感知杠杆使用了一端支撑的微小弹簧板。

在感知杠杆的尖端有半径几十纳米、非常尖的小探针，感知杠杆从试件表面受到探针的作用力变形。

感知杠杆的弹性系数K 一般为已知，通过用隧道电流或激光束偏移，来检测感知杠杆在Z方向上的微小位移△Z，可知作用在探针一表面之的局力（F=K△Z）。

一边测定该力，一边对试样进行机械的二维扫描，就能得到试样表面力的二维像。

为保持力的信号稳定，一边控制试样Z方向的位置，一边扫描试样，记录各点的移动量，就可以得到三维的精细形貌像。

图1当探针尖和试件表面的距离缩小到纳米数量级时，探针尖端原子和试件表面原子间的相互作用力就显示出来，由于原子间距离缩小产生相互作用，造成原子间的高度势垒降低，使系统的总能量降低，于是二者之间产生吸引力（范德华力），如果两原子间距离继续减小接近到原子直径量级时，由于两原子间的电子云的不相容性，两原子间的相互作用为排斥力（库仑力），原子力显微镜就是通过检测探针尖和试件表面原子间的相互作用力而进行测量的。