原子力显微镜在微纳操作中的应用..doc

研 究 生 课 程 论 文 (2013-2014学年) 原子力显微镜在微纳操作中的应用 研究生： 提交日期： 2014年 9 月 27 日 研究生签名： 学 号 学 院 华南理工大学机械与汽车工程学院 课程编号 S0001047 课程名称 基于机器人的纳米操作和自动化学术型学位硕士 图 1 原子间作用力-距离的关系曲线 在由于微悬壁的变形非常小，直接求取其变形是非常固难的，因而需要一此放大装置来方便检测形变。AFM利用接收照射在悬臂尖端的激光束的反射来检测微悬臂的形变。由于光杠杆作用原理，即使小于0.01nm的微悬臂形变也可在光电检测器上产生10nm左右的激光点位移，由此产生的电压变化对应着微悬臂的形变量，通过一定的函数变换便可得到悬臂形变量的测量值。当样品在XY平面内扫描时(对某一点其坐标为[x，y]) ，若保持样品在 Z 轴方向静止，且令探针的竖直初始位置为零，则可根据针尖与样品相互作用与间距的关系，得到样品表面的高度变化信息Δh(x，y)，即样品表面任意点(x，y)相对于初始位点的高度。对样品表面进行定域扫描便可得到此区域的表面形貌。 AFM主要由四大件组成：扫描探头、电子控制系统、计算机控制及软件系统、步进电机和自动逼近控制电路。图2是AFM工作原理示意图。半导体激光器发出激光束，经透镜汇聚打到探针头部，并发射进入四象限位置检测器中，转化为电信号后，由前置放大器放大后送给反馈电路，反馈电路发出的一部分信号进入计算机，再由计算机将数字信号转化为模拟信号，经高压放大后驱动压电陶瓷管在二维平面扫描。AFM针尖是利用一种弹性微悬臂梁作为传感器，其一端固定，另一端有针尖。常见的微悬臂形状和尺寸如图3所示。当针尖在样品上扫描时，针尖和样品间的作用力引起微悬臂的变形，从而导致了光反射激光束在检测器中的位置发生改变。检测器中不同象限间所接收到的激光强度代表臂变形量的大小。在反馈电路的作用下，微悬臂形变通过压电管在方向伸缩进行补偿，计算机采集每个坐标点对应的反馈输出后，再转化为灰度级，在显示屏上表示出样品的表面形貌。 图2 原子力显微镜探针部分示意图 图3 典型探针和微悬臂尺寸示意图 2原子力显微镜的成像模式及特点 经上文介绍可知，探针和样品间的力与距离关系是AFM测量的关键点。当选择不同的初始工作距离时，探针所处的初始状态也是不同的。由此可将原子力显微镜的操作模式分为三大类型：接触模式(Contact Mode)、非接触模式(Non-contact Mode)和轻敲模式(Tapping Mode)。 2.1接触模式(Contact Mode) 样品扫描时，针尖始终同样品“接触”，如图4所示。此模式通常产生稳定、高分辨图像。针尖与样品距离在小于零点几个纳米的斥力区域。当样品沿着xy方向扫描时，由于表面的高低起伏使得针尖与样品距离发生变化，引起它们之间作用力的变化，从而使悬臂形变发生改变。当激光束照射到微悬臂的背面，再反射到位置灵敏的光电检测器时，检测器不同象限会接收到同悬臂形变量成一定的比例关系的激光强度差值。反馈回路根据检测器的信号与预置值的差值，不断调整针尖与样品距离，并且保持针尖与样品作用力不变，就可以得到表面形貌像。这种测量模式称为恒力模式。当已知样品表面非常平滑时，可以让针尖与样品距离保持恒定，这时针尖与样品作用力大小直接反映了表面的高低，这种方法称恒高模式。由于生物分子的弹性模量较低，同基底间的吸附接触也很弱，针尖与样品间的压缩力和摩擦力容易使样品发生变形，从而降低图像质量。 图4 AFM接触模式 2.2非接触模式(Non-contact Mode) 针尖在样品表面的上方振动，始终不与样品表面接触。针尖检测的是范德瓦耳斯吸引力和静电力等长程力，对样品没有破坏作用。针尖与样品距离在几到几十纳米的吸引力区域，针尖与样品作用力比接触式小几个数量级，但其力梯度为正且随针尖与样品距离减小而增大。当以共振频率驱动的微悬臂接近样品表面时，由于受到递增的力梯度作用，使得微悬臂的有效的共振频率减小，因此在给定共振频率处，微悬臂的振幅将减小很多。振幅的变化量对应于力梯度量，因此对应于针尖与样品间距。反馈系统通过调整针尖与样品间距使得微悬臂的振幅在扫描时保持不变，就可以得到样品的表面形貌像。但由于针尖与样品距离较大，因此分辨率比接触式的低。到目前为止，非接触模式通常不适合在液体中成像，在生物样品的研究中也不常见。 图5 AFM非接触模式 2.3轻敲模式(Tapping Mode) 轻敲模式是上述两种模式之间的扫描方式。扫描时，在共振频率附近以更大的振幅(20nm)驱动微悬臂，使得针尖与样品间断地接触。当针尖没有接触到表面时，微悬臂以一定的大振幅振动，当针尖接近表面直至轻轻接触表面时，振幅