原子力显微镜的原理与应用(研究生研讨课).ppt

* AFM（原子力显微镜） 报告人： 目录 一、AFM工作原理 二、仪器介绍 三、成像模式 四、应用举例 五、缺陷 1. 工作原理 ·AFM (Atomic Force Microscope)原子力显微镜 ，是以原子间力为理论基础的显微镜，从STM（扫描隧道显微镜）发展而来。以原子尺寸观察物质表面结构，金属、半导体、绝缘体等均可以观测，可以在大气、液体环境下直接观察。 ·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物理特性。 ·将一个对力极为敏感的微悬臂的一端固定，另一端固定针尖当针尖在样品表面扫描时，因针尖尖端原子与样品表面原子存在的范德华力，使微悬臂产生微小弯曲。根据扫描样品时探针的偏移量或改变的振动频率重建三维图像，就能间接获得样品表面的形貌。 1. 工作原理 Expulsive force atom atom Attractive force atom atom 2.仪器介绍 控制系统 Z X Y 入射激光 位敏光电探测器 显示屏 步进电机 调节螺杆 反馈 探针针尖 试样 压 电 陶 瓷 管 X Y 探针悬臂 样品台 △α 2△α 2.仪器介绍 2.仪器介绍 1、检测系统 悬臂的偏转或振幅改变可以通过多种方法检测，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 2.仪器介绍 商品化的悬臂一般长为100-200 μm、宽10-40μm、厚0.3-2μm，弹性系数变化范围一般在几十N·m-1到百分之几N·m-1之间，共振频率一般大于10kHz。探针末端的针尖一般呈金字塔形或圆锥形，针尖的曲率半径与AFM分辨率有直接关系．一般商品针尖的曲率半径在几纳米到几十纳米范围． V型悬臂： 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． 2.仪器介绍 3、光电检测器 AFM光信号检测是通过光电检测器来完成的。激光由光源发出照在金属包覆的悬臀上，经反射后进入光电二极管检测系统．然后，通过电子线路把照在两个二极管上的光量差转换成电压信号方式来指示光点位置。 4、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。目前构成扫描器的基质材料主要是钛锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3]制成的压电陶瓷材料．压电陶瓷有压电效应，即在加电压时有收缩特性，并且收缩的程度与所加电压成比例关系．压电陶瓷能将1mV~1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。 5、反馈系统 2.仪器介绍 原子力显微镜的分辨率 原子力显微镜分辨率包括侧向分辨率和垂直分辨率．图像的侧向分辨率决定于两种因素：采集图像的步宽(Step size)和针尖形状． 1. 步宽因素 原子力显微镜图像由许多点组成，其采点的形式如图3.3所示．扫描器沿着齿形路线进行扫描，计算机以一定的步宽取数据点．以每幅图像取512x 512数据点计算，扫描1μm x1μm尺寸图像得到步宽为2nm(1μm／512)高质量针尖可以提供1~2nm的分辨率．由此可知，在扫描样品尺寸超过1μm x1μm时，AFM的侧向分辨率是由采集图像的步宽决定的。 2.仪器介绍 2. 针尖因素 AFM成像实际上是针尖形状与表面形貌作用的结果，针尖的形状是影响侧向分辨率的关键因素。针尖影响AFM成像主要表现在两个方面：针尖的曲率半径和针尖侧面角，曲率半径决定最高侧向分辨率，而探针的侧面角决定最高表面比率特征的探测能力．如图所示，曲率半径越小，越能分辨精细结构． 不同曲率半径的针尖对球形物成像时的扫描路线 3.成像模式 根据原子间力与原子见距离的关系，一般AFM有三种成像模式： 接触模式 非接触模式 轻敲模式 1）. 接触模式（1986年发明） 原理：针尖和样品物理接触并在样品表面上简单移动，针尖受范德华力和毛细力的共同作用，两者的合力形成接触力，该力为排斥力，大小为10-8～10-11N，会使微悬臂弯曲。 特点