原子力显微镜AFM的原理及应用.ppt

提高图像分辨率 1、发展新的技术或模式来提高分辨率，即从硬件设备以及成像机理上提高成像分辨率。如最近Fuchs等发明的Q控制技术，可以提高成像分辨率和信噪比。采用力调制模式或频率调制模式等也可以有效提高成像分辨率。 2、选择尖端曲率半径小的针尖，减小针尖与样品之间的接触面积，减小针尖的放大效应，以提高分辨率。 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。 AFM针尖放大效应 AFM是依靠尖端曲率半径很小的微悬臂针尖接触在 表面上进行成像，所得到的图像是针尖与样品真实形貌卷积后的结果。如图所示，实线代表样品的真 实形貌，虚线就是针尖扫描所得到的表观图像。二者之间的差别在于针尖与样品真实接触点和表观接触点随针尖移动的函数变化关系。 针尖效应不仅会将小的结构放大，而且还会造成成像的不真实，特别是在比较陡峭的突起和沟槽处。 一般来说，如果针尖尖端的曲率半径远远小于表面结构的尺寸，则针尖效应可以忽略，针尖走过的轨迹基本上可以反映表面结构的起伏变化。 微悬臂检测方法 AFM是通过检测微悬臂形变的大小来获得样品表面形貌信息的，所以微悬臂形变检测技术至关重要。到目前为止，检测微悬臂形变的方式主要有以下几种： 1）隧道电流检测法 2）电容检测法 3）光学检测法 4）压敏电阻检测法 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。 返回 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 返回 IBM科学家首次拍下单分子照片 二氧化锡薄膜 分选和搬运 火星土壤 遭疟疾感染的人体红血球和蓝藻 返回 AFM的缺点 受样品因素限制较大（不可避免） 针尖易磨钝或受污染（磨损无法修复；污染清洗困难） 针尖—样品间作用力较小 近场测量干扰问题 扫描速率低 针尖的放大效应 Atomic Force Microscopy 原子力显微镜（AFM） 目录： AFM的发展历史 AFM的原理 AFM的分类 AFM机器的组成 影响AFM分辨率的因素 AFM技术应用举例 照片举例 AFM的缺点 高级显微镜 1938年，德国工程师Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上第一台透射电子显微镜（TEM） 1952年，英国工程师Charles Oatley制造出了第一台扫描电子显微镜（SEM） 至此，电子显微镜的分辨率达到纳米级 1983年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜（STM） 应用电子的“隧道效应”这一原理，对导体或半导体进行观测 隧道效应 经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。 量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过