原子力显微镜精要.docx

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 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： （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。? 原子力显微镜便是结合以上三个部分来将样品的表面特性呈现出来的：在原子力显微镜系统中，使用微小悬臂来感测针尖与样品之间的相互作用，这作用力会使微悬臂摆动，再利用激光将光照射在悬臂的末端，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。 AFM关键部份是力敏感元件和力敏感检测装置。所以微悬臂和针尖是决定AFM灵敏度的核心。为了能够准确地反映出样品表面与针尖之间微弱的相互作用力的变化,得到更真实的样品表面形貌,提高AFM?的灵敏度,微悬臂的设计通常要求满足下述条件:?①较低的力学弹性系数,使很小的力就可以产生可观测的位移;?②较高的力学共振频率;?③高的横向刚性,针尖与样品表面的摩擦不会使它发生弯曲;?④微悬臂长度尽可能短;⑤微悬臂带有能够通过光学、电容或隧道电流方法检测其动态位移的镜子或电极;?⑥针尖尽可能尖锐。 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? ? ?接触模式包括恒力模式(constant2force?mode)?和恒高模式(constant2height?mode)?。?在恒力模式中过反馈线圈调节微悬臂的偏转程度不变,从而保证样品与针尖之间的作用力恒定,当沿x?、y?方向扫描时,记录Z?方向上扫描器的移动情况来得到样品的表面轮廓形貌图像。?这种模式由于可以通过改变样品的上下高度来调节针尖与样品表面之间的距离,这样样品的高度值较准确,适用于物质的表面分析。?在恒高模式中,保持样品与针尖的相对高度不变,直接测量出微悬臂的偏转情况,即扫描器在z?方向上的移动情况来获得图像。?这种模式对样品高度的变化较为敏感,可实现样品的快速扫描,适用于分子、原子的图像的观察。?接触模式的特点是探针与样品表面紧密接触并在表面上滑动。?针尖与样品之间的相互作用力是两者相接触原子间的排斥力,约为10?-?8?～10?-?11N。?接触模式通常就是靠这种排斥力来获得稳定、高分辨样品表面形貌图像。?但由于针尖在样品表面上滑动及样品表面与针尖的粘附力,可能使得针尖受到损害,样品产生变形,?故对不易变形的低弹性样品存在缺点。??? （2）非接触模式? ?? 非接触模式是探针针尖始终不与样品表面接触,在样品表面上方5～20?nm?距离内扫描。针尖与样品之间的距离是通过保持微悬臂共振频率或振幅恒定来控制的。在这种模式中,样品与针尖之间的相互作用力是吸引力———范德华力。?由于吸引力小于排斥力,故灵敏度比接触模式高,但分辨率比接触式低。?非接触模式不适用于在液体中成像。 （3）轻敲模式? 在轻敲模式中,通过调制压电陶瓷驱动器使带针尖的微悬臂以某一高频的共振频率和0.01～1?nm?的振幅在Z?方向上共振,而微悬臂的共振频率可通过氟化橡胶减振器来改变。?同时反馈系统通过调整样品与针尖间距来控制微悬臂振幅与相位,记录样品的上下移动情况,即在Z?方向上扫描器的移动情况来获得图像。?由于微悬臂的高频振动,使得针尖与样品之间频繁接触的时间相当短,针尖与样品可以接触,也可以不接触,且有足够的振幅来克服样品与