原子力显微镜的原理及应用46页PPT

未来发展趋势
未来，原子力显微镜技术将进一步提高分辨率和扫 描速度，并应用于更多领域。
七、参考文献
1 相关学术论文
1. Title 1 2. Title 2 3. Title 3
2 专业书籍
1. Title A 2. Title B 3. Title C
二、工作原理
探针的作用
原子力显微镜使用微小的探针探测物质表面，获得原子级别的高分辨率图像。
检测原理
通过探测器记录探针的弯曲变化，从而推断物体表面的高度和形貌。
显示方法
利用电子信号将探测到的数据转化为高清图像，可实时显示。
三、应用领域
表面形貌和结构分析
原子力显微镜可用于观察材料 表面的形貌和结构，帮助研究 纳米级别的材料。
《原子力显微镜》PPT课 件
本课件将介绍原子力显微镜的工作原理、应用领域和优缺点分析，以及操作 和维护的常见问题解答。
一、前言
什么是原子力显微镜
原子力显微镜是一种高分辨率的显微镜，能够 观测到物质的原子尺度细节。
发展历史
原子力显微镜于1986年由Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明，获得了诺贝尔奖。
原子力显微镜的分辨率可达到纳米级别，扫描范围取决于探针的尺寸和扫描区域。
如何正确操作原子力显微镜
正确操作原子力显微镜需要进行样品制备、参数设置和扫描操作等步骤。
原力显微镜的维护
维护原子力显微镜需要保持清洁，及时更换探针并进行校准。
六、结论
原子力显微镜对科学研究的重要性
原子力显微镜在纳米级别材料研究和生物学研究中 发挥着重要作用。
纳米尺度材料表征
该技术可用于研究纳米颗粒、 纳米管和纳米线等纳米材料的 特性。

Atomic force microscopy (AFM)
Lateral Force Microscopy (LFM)
Magnetic Force Microscopy (MFM)
Electrostatic Force Microscopy (EFM)
Chemical Force Microscopy (C学检测部分 反馈电子系统 计算机控制系统
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工作模式
接触模式 (contact mode) 非接触模式 (non-contact mode) 轻敲模式 (tapping / intermittent contact mode)
van der Waals force curve
Near Field Scanning Optical Microscopy
(NSOM)
3
基本原理
1986，IBM，葛·宾尼（G. Binnig）发明了原子力 显微镜(Atomic Force Microscope ,AFM)——新一代 表面观测仪器．
原理：利用原子之间的范德华力（Van Der Waals
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原子力显微镜 Atomic Force Microscopy
1
主要内容
发展历史 基本原理 应用
2
扫描探针显微镜SPM
SPM是指在STM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、 电、磁、力等的大小而获得表面信息。
scanning tunneling Microscopy (STM， 1982)
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工作模式-接触模式
d ＜０.０３nm
van der Waals force curve
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相接触原于的电子间 存在的库仑排斥力，其大小通常为10－8 —10－11N。

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原子力顯微鏡的種類
(1)接觸式原子力顯微鏡 由於是接觸式。探針尖端懸在一低彈性係數的懸臂末
端，懸臂的有效彈性係數比樣品原子還低，當探針掃 瞄樣品表面時，當原子的距離變近，會彼此產生微弱 的吸引力，這些吸引力會不斷增加，直到太靠近時它 們的電子雲產生靜電排斥。當原子間的作用力達到平 衡約一個化學鍵的長度(幾埃) 。當總凡得瓦力變成零， 那些原子保持接觸。 除了上述的凡得瓦力，在接觸式 原子力顯微鏡如周圍環境被薄水層圍繞，會產生毛細 管力量發生，為探針與樣品間的吸引力約為10負8牛頓， 此力量是探針與樣品間的距離而定。
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原子力顯微鏡的原理
當探針尖端與樣品表面接觸時，依其作用力作用(吸力或斥力)，使得懸臂 彎曲，再以一低功率的雷射射在懸臂末端上，再藉由一組感光二極體偵測 器量測入射雷射光反射角度的變化，依據變化的角度，使感光二極體上雷 射光斑造成變化造成二極體電流改變，由測量電流的變化可得知懸臂彎曲 程度，輸入電腦產生樣品表面三維影像。所以不論絕緣體、半導體、導體 都一樣可以獲得三維空間影像。

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
~END~
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原子力顯微鏡的種類
(3)間歇接觸式原子力顯微鏡 間歇接觸原子顯微鏡相似非接觸式原子力顯微
鏡，由於探針較非接觸式接近樣品，有時探針 尖端會輕打擊樣品表面。其原理當間歇接觸原 子顯微鏡懸臂的振動振幅的變化反映，也就是 振動振幅的形狀相當探針尖端到表面距離，且 相較非接觸式原子力顯微鏡的優點，它可量取 樣品表面起伏較大的掃瞄影像。
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原子力顯微的應用
原子力顯微鏡之用途相當廣泛，包括：利用探針量測物表面及在微表面雕刻。精 密儀器中心利用原子力顯微鏡探針在氧化矽表面所得到的清大材料系徽，其氧化 層高度為3nm，最小線寬為50nm。

•
相位移模式
作为轻敲模式的一项重要扩展技术，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。
1985年，IBM公司的Binning 和Stanford大学的Quate研发 出了原子力显微镜（AFM）， 弥补了STM的不足，可以用 来测量任何样品（无论导电 性与否）的表面。
2
AFM的结构简图
AFM针尖
AFM利用一个对微弱力极敏感的、在其一端带有一微小针尖的微悬臂，来代替STM 隧道针尖，通过探测针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的（右上图）。
6 AFM的集中工作模式
• 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。
•
轻敲模式：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。 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。
3
AFM工作原理
原理：
AFM是在STM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。 假设两个原子一个是在悬臂的探针尖 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。

2.磁力显微镜(Magnetic Force microscopy，MFM)
3.静电力显微镜(Eelectrostatic Force microscopy，EFM)
4.化学力显微镜(Chemical Force microscopy，CFM)
5.力调置显微镜(Force modulation microscopy，FMM)
2021
6
AFM探针的针尖
1、探针系统
探针组件是AFM的关键部分。 由微悬臂和微悬臂末端的针尖组成。
随着精细加工技术的发展，人们 已经能制造出各种形状和特殊要求 的针尖。
微悬臂是由Si或Si3N4经光刻技术 加工而成的．微悬臂的背面镀有一 层金属以达到镜面反射。
2021
7
2、扫描系统
AFM对样品扫描的精确控制是靠扫描器来实现的。 扫描器中装有压电转换器，压电装置在X，Y，Z三个 方向上精确控制样品或探针位置。
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，甚至活的生物组 织。
2021
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AFM的缺点
扫描范围较小（10nm到100μm），成像范围 小，容易将局部的、特殊的结果当作整体的结果 而分析，以及使实验结果缺乏重现性。
由于分辨率很高，使得在样品制备过程中产生 的或者是从背景噪音中产生的极小赝像都能够被 检测、观察到，产生赝像。
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，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 下针尖引起的相互损伤，适合于柔软或吸附 样品的检测。
相位移模式：

AFM出现的意义
STM的原理是电子的“隧道效应”，所以只能 测导体和部分半导体
1985年，IBM公司的Binning和Stanford大学的 Quate研发出了原子力显微镜（AFM），弥补了 STM的不足
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成像原理
atom atom
atom atom
Expulsive force
Attractive force
5）光束偏转法。此方法由Meyer和Amer于 1988年发明，简便实用，广泛应用于目前 的商品化仪器。
须指出，由于针尖—样品之间的作用力是 微悬臂的力常数和形变量之积，所以无论 哪种检测方法，都应不影响微悬臂的力常 数，而且对形变量的检测须达到一纳米以 下。
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AFM应用技术举例
AFM可以在大气、真空、低温和高温、不同气 氛以及溶液等各种环境下工作，且不受样品导 电性质的限制，因此已获得比STM更为广泛的 应用。主要用途：
1. 导体、半导体和绝缘体表面的高分辨成像 2. 生物样品、有机膜的高分辨成像 3. 表面化学反应研究 4. 纳米加工与操纵
5. 超高密度信息存储 6. 分子间力和表面力研究 7 摩擦学及各种力学研究 8 在线检测和质量控制
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IBM科学家首次拍下单分子照片
二氧化锡薄膜
3、尽量避免针尖和样品表面的污染。如果针尖上有污染物， 就会造成与表面之间的多点接触，出现多针尖现象，造成假 像。如果表面受到了污染，在扫描过程中表面污染物也可能 粘到针尖上，造成假像的产生。
4、控制测试气氛，消除毛细作用力的影响。由于毛细作用力 的存在，在空气中进行AFM成像时会造成样品与针尖的接触面 积增大，分辨率降低。此时，可考虑在真空环境下测定，在 气氛控制箱中冲入干燥的N2，或者在溶液中成像等。溶液的 介电性质也可以影响针尖与样品间范德华作用力常数，从而 有可能减小它们之间的吸引力以提高成像分辨率。不过液体 对针尖的阻尼作用会造成反馈的滞后效应，所以不适用于快 速扫描过程。

原子力显微镜
生科院
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显微镜的分类
光学显微镜
显 微 镜
暗视野显微镜 实体显微镜 荧光显微镜 偏光显微镜 位相显微镜 倒置式显微镜 微分干涉显微镜 摄影显微镜
透射式电子显微镜
电子显微镜
扫描式电子显微镜
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扫描隧道显微镜、原子力显微镜
原子力显微镜
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原子力显微镜
原子力显微镜（Atomic Force Microscope ）简称
原子力显微镜技术在生物学领域的应用有赖于样品制备方法和 适合针尖-样品相互作用的缓冲液的研究。原子力显微镜现已 成为一种获得样品表面结构的高分辨率图像的有力工具。而更 为吸引人的是其观察生化反应过程级生物分子构象变化的能力， 因此，原子力显微镜在生物学领域中的应用前景毋庸置疑。而 对于原子力显微镜技术本身，以下几个方面的进展将更加有利 于它在生物学中的应用。大多数生物反应过程相当快速，原子 力显微镜时间分辨率的提高有助于这些过程的观察。生命科学 研究有其自身特点，需设计出适合生物学研究的原子力显微镜。 高分辨率是原子力显微镜的优势。其分辨率在理论上能达到原 子水平，但目前还没有实现，如何做出更细的针尖将有助于其 分辨率的进一步提高。
原子力显微镜可以作为一种力传感器来研究 分子间的相互作用。这是由于原子力显微镜理论 上能够感应10-14nm的作用力，能感应0.01nm的 位移，而接触面积可小到10n㎡.
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原子力显微镜 在研究物质超微结构中的应用
应用原子力显微镜(AFM)可以直接观察到表面缺陷、 表面重构、表面吸附体的形态和位置、以及有表面吸附体 引起的表面重构等。原子力显微镜(AFM)可以观察许多不 同材料的原子级平坦结构，例如，可以用原子力显微镜 (AFM)对DL－亮氨酸晶体进行研究，可观察到表面晶体分 子的有序排列，其晶格间距与X射线衍射数据相符。另外 原子力显微镜(AFM)还成功地用于观察吸附在基底上的有 机分子和生物样品，如，三梨酸、DNA和蛋白质的表面。

拓展探测功能
开发多模式原子力显微镜，具备多种探测功能，如振动模式、电流 模式等，以便更全面地了解样品性质。
应用领域的拓展
生物医学领域
利用原子力显微镜观察生物大分子结构和细胞表面的形貌，为疾 病诊断和治疗提供有力支持。
能源领域
研究电池材料、太阳能电池等能源器件的表面结构和性能，提升 能源利用效率。
环境领域
常见故障排除
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图像问题
检查光源、镜头、样品等 是否正常，确保图像质量 。
仪器失灵
检查仪器线路连接、电源 等是否正常，确保仪器正 常运行。
数据异常
检查数据采集、处理等环 节是否正常，确保数据准 确性。
定期保养与校准
保养
按照厂家推荐的保养周期 ，对仪器进行全面保养。
校准
定期对仪器进行校准，确 保测量结果的准确性。
扫描装置通常由微机械加工技术制造，具有极高的定位 精度和稳定性。
扫描范围可以从几微米到几毫米，具体取决于不同的应 用需求。
反馈系统
反馈系统负责实时监测针尖与 样品之间的相互作用力，并根 据反馈信号调整悬臂的位置，
以保持力恒定。
反馈系统通常由一个差分电容 传感器和一个PID控制器组成。
差分电容传感器能够检测悬臂 的微小位移，并将其转换为电 信号。
《原子力显微镜系统 》PPT课件
目录
CONTENTS
• 原子力显微镜系统概述 • 原子力显微镜系统组成 • 原子力显微镜系统操作流程 • 原子力显微镜系统的维护与保养 • 原子力显微镜系统的未来发展与展望
01 原子力显微镜系统概述
原子力显微镜的定义
01
原子力显微镜是一种利用原子间 微弱作用力来观察物质表面结构 的仪器。

包括：光反射法、光干涉法、隧道电流法、电容 检测法等。目前AFM系统中常用的是激光反射检 测系统，它具有简便灵敏的特点。激光反射检测 系统由探针、激光发生器和光检测器组成.
2 探针 ❖ 探针是AFM检测系统的关键部分．它由悬臂和
悬臂末端的针尖组成．随着精细加工技术的发展， 人们已经能制造出各种形状和特殊要求的探针。 悬臂是由Si或Si3N4经光刻技术加工而成的．悬臂 的背面镀有一层金属以达到镜面反射。在接触式 AFM中V形悬臂是常见的一种类型(如图3.2所 示)．
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
❖ 它的优点是具有低的垂直反 射机械力阻和高的侧向扭曲 机械力阻．悬臂的弹性系数 一般低于固体原于的弹性系 数， 悬臂的弹性常数与形状、 大小和材料有关．厚而短的 悬臂具有硬度大和振动频率 高的特点．
四、 原子力显微镜工作环境 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程
原子力显微镜受工作环境限制较少，它可以在超高真空、气 相、液相和电化学的环境下操作。 (1)真空环境：最早的扫描隧道显微镜(STM)研究是在超高真空下进 行操作的。后来，随着AFM的出现，人们开始使用真空AFM研 究固体表面．真空AFM避免了大气中杂质和水膜的干扰，但其 操作较复杂。 (2)气相环境：在气相环境中，AFM操作比较容易，它是广泛采用 的一种工作环境．因AFM操作不受样品导电性的限制，它可以 在空气中研究任何固体表面，气相环境中AFM多受样品表面水 膜干扰。 (3)液相环境：在液相环境中．AFM是把探针和样品放在液池中工 作，它可以在液相中研究样品的形貌．液相中AFM消除了针尖 和样品之间的毛细现象，因此减少了针尖对样品的总作用 力．液相AFM的应用十分广阔，它包括生物体系、腐蚀或任一 液固界面的研究． (4)电化学环境：正如超高真空系统一样，电化学系统为AFM提供 了另一种控制环境．电化学AFM是在原有AFM基础上添加了电 解池、双恒电位仪和相应的应用软件．电化学AFM可以现场研 究电极的性质．包括化学和电化学过程诱导的吸附、腐蚀以及 有机和生物分子在电极表面的沉积和形态变化等。

对于AFM系统，同等清晰度下，扫描所得图像的 分辨率越低，扫描的速度越快。对于某些应用， 可以在大的视场中使用较低分辨率的快速扫描， 观察样品表面的变化，然后对于感兴趣的部分进 行高分辨率的慢速扫描。
慢速高分辨率扫描成像示出更多的细节
随着扫描速度的提升，图像的拉伸变形越来 越严重
随着扫描速度的提升，图像的拉伸变形越来越 严重，实际上当速度达到1．00s每幅时，扫描 范围已经比1．59m要小。结果显示在2．00s 每幅时仍能保持较好的在大的视场中使用较低 分辨率的快速扫描，观察样品表面的变化，然 后对于感兴趣的部分进行高分辨率的慢速扫描 的新方法，其应用将会越来越广泛。
1在材料科学方面，可以使用原子力显微镜对 材料表面进行扫描，观察样品表面粗糙情况或 波纹情况，为样品表面膜性能提供信息，且探 针不会对样品表面造成损伤。
2在生物科学方面，原子力显微镜检测生物样 品具有制备样品简单，样品无需特殊处理，能 在多种环境中操作。因此，可以使用原子力显 微镜对生物分子扫描成像，观察细胞的动态信 息，还可以对生物分子进行纳米操作。
3原子力显微镜在膜科学中的应用
AFM出现前，电子显微镜是微电子学的标准研 究工具，它的分辨率可以达到几个纳米量级。 但是要求在样品表面涂覆金属并在真空中成象 ，三维分辩能力差，而且发射的高能电子可会 损坏样品而造成偏差。尤其是对活性样品电子 显微镜完全不能胜任。而AFM分辨率可以达到 原子量级，且对操作环境和样品制备没有特殊 的要求，其在膜技术中的应用自然就更为普遍 和广泛。
自STM问世以来，人们一直期望着能够准确地 表达出绝缘物质表面的真实形貌，而AFM就是 专为满足这些需求而出现的。AFM的实用化标 志着物质表面检测手段的重大革新，是微纳米 检测发展史上又一里程碑。