材料显微分析选修课的原子力显微镜 .ppt

（3）在电化学领域的应用 在电化学领域的研究主要有 3 个方向：界面结构的表征、界面动态学和化学材料及结构的表征, 如观察和研究单晶、 多晶局部表面结构、 表面缺陷和表面重构 、 表面吸附物种的形态和结构、 金属电极的氧化还原过程、 金属或半导体的表面电腐蚀过程、 有机分子的电聚合及电极表面上的沉积等 铝合金在NaCl溶液中腐蚀AFM图 （4）在物理学领域的应用 在物理学中, AFM 可以用于研究金属和半导体的表面形貌、表面重构 表面电子态及动态过程, 超导体表面结构和电子态层状材料中的电荷密度等。近年来, 应用原子力显微镜研究纳米摩擦 、纳米磨损、 纳米润滑 、 纳米摩擦化学反应和微型机电系统的纳米表面工程等方面 都取得了一些重要进展。 * 原子力显微镜相较于其它显微镜技术的各项性能指标比较 分辨率 工作环境样品环境 温度 对样品破坏程度 检测深度 原子力显微镜显微镜 原子级(0.1nm) 实环境、大气、溶液、真空 室温或低温 无 10μm量级 透射电镜 点分辨(0.3~0.5nm) 晶格分辨(0.1~0.2nm) 高真空 室温 小 接近SEM,但实际上为样品厚度所限，一般小于100nm. 扫描电镜 6~10nm 高真空 室温 小 1μm (10000倍时) 场离子显微镜 原子级 超高真空 30~80K 有 原子厚度 * 原子力显微镜 * 1982年，G.Binning与H.Rohrer于瑞士IBM实验室发明了扫描隧道显微镜(STM)。此二人因此荣获1986年之诺贝尔奖。 1986年，G.Binning等三人利用当时的STM技术，与Stanford University合作者开发出能探测探针与式样间范德华力的原子力显微镜(AFM)。 原子力显微镜的工作原理 * 原子力显微镜的工作原理 基本原理：原子力显微镜是利用检测样品表面与细微的探针尖端之间的相互作用力（原子力）测出表面的形貌。 * 原子力显微镜的工作原理 式中，d —— 能量单位常数； s —— 原子直径； r —— 原子间距离。 原子力与距离关系 * 原子力显微镜的基本结构与工作模式 * 基本结构：微探针、探针位移探测器、扫描平台和控制系统。 原子力显微镜的基本结构与工作模式 * 微探针：由弹性悬臂梁和尖的探针组成，作用是感应样品表面与探针的原子力。 原子力显微镜的基本结构与工作模式 AFM探针示意图 式中，F —— 原子力； k —— 悬臂梁弹性系数； Z —— 原子力产生的悬臂挠度。 * AFM探针和悬臂的形貌 悬臂一般是由100-150um长和大约500nm-5um厚的硅片或氮化硅片制成，在悬臂顶端有针尖，来扫描样品表面，悬臂和针尖有一定的规格，依照样品的特点以及操作模式选择不同的针尖。 * AFM的工作模式模式：恒力和恒高模式 恒力模式就是一种是恒变形，即保持针尖与样品之间的变形量恒定不变，当样品表面有起伏时，微悬臂就会发生变形，打在微悬臂上的激光的反射光束也就随之放生偏转，检测器接收到信号之后，控制器使扫描管深长或缩短，维持针尖与样品之间的作用力恒定，通过记录扫描管的位置变化来获得样品表面信息 * 另一种工作模式是恒高模式，就是维持针尖与样品表面的距离恒定，当样品表面发生起伏时，针尖与样品之间的作用力发生变化，悬臂也跟着发生形变，通过检测悬臂的变形来记录样品表面信息。 * AFM的操作模式：接触式、非接触式和敲拍式。 原子力显微镜的基本结构与工作模式 接触模式： d0.03nm 接触式就是针尖始终与样品表面接触，并在样品表面做简单运动，产生排斥力，这种力的大小大约为10-10-10-6N，通过检测这种力的变化来得到样品表面的信息 优点：可以产生稳定高分辨的图像，对较硬的材料通常会得到比较好的分辨率。 缺点：由于探针与试样表面接触，过大的作用力会损坏样品，因此对软性材质的如聚合物、细胞分子等不适用，而且在空气中，因为样品表面吸附液层的毛细作用，是针尖与样品间的粘着力很大，粘着力会使图像的分辨率降低。 接触模式： 非接触模式： d:5-10nm 振幅：2nm-5nm 非接触式就是探针与样品表面不接触，探针在距离样品表面5-10nm附近震荡，通过检测样品与探针之间的吸引力达到检测样品表面形貌的目的，这种吸引力很小，远小于排斥力，大约为10-12N。 非接触模式： 优点：可以很好地保护样品。 缺点： （1）分辨率比较低； （2）扫描速度比较低； （3）气体的表面压吸附到样品表面，造成图像数据不稳定和对样品的破坏。 振幅：5-