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原子力显微镜试验
原子力显微镜实验
杨悦 0529003
摘要:本实验的目的是了解原子力显微镜的原理和结构,掌握原子力显微镜的操作方法;对各种
样品的表面结构进行扫描,并重点研究原子力显微镜各参数对成像质量的影响。
关键词:原子力显微镜 成像质量
一.实验原理:
1.AFM针尖的受力.
AFM的原理是将一尖锐的针尖装在一个对受力十分敏感的微悬臂上,并使之与待测样
品表面有某种形式的力接触,并通过压电陶瓷控制针尖对样品进行扫描。在扫描过程中,控
制器根据针尖受力的大小产生反馈信号,以调节针尖与样品表面的相对高度,使得针尖的走
势和样品表面的形貌变化相一致,这样就可以根据针尖的高度进行样品表面的成像。
AFM针尖在扫描过程中受到的力主要可分为两种:
1) 库仑排斥力:当针尖与样品表面足够接近时,原子与原子之间的电子云产生库仑排斥。
2) 范德华吸引力:主要包括取向力(具有永久偶极矩的分子之间的相互作用力)、诱导力
(永久偶极场可以在非极性分子上诱导产生一个偶极矩,这个偶极矩可以和永久偶极场
产生偶极-偶极相互作用)和色散力(由于电荷分布的瞬时涨落,分子的正电荷中心和
负电荷中心产生偏离,形成偶极子,并同时在另一个邻近的分子中诱导产生偶极矩,这
两个分子之间就会产生偶极-偶极相互作用)。
AFM
AFM
针尖的具体受力情况和AAFFMM的工作模式有关,下面会提到。
2.对微悬臂形变的检测.
本实验中的AFM是利用激光反射法来检测微悬臂的形变的。以下为示意图:
PSD
激光
微悬臂
样品
如上图所示,一束激光经微悬臂反射到一个位置灵敏探测器(PSD)上,当微悬臂弯曲时激
光束的光斑在探测器上的位置将发生移动,PSD可测量出光斑小至1纳米的位移,微悬臂
位移的放大倍数为悬臂至探测器的距离与悬臂长度之比。
3.AFM的三种工作模式:
1) 接触模式.
库仑排斥力
样品表面
如上图所示,扫描过程中针尖始终和样品接触并简单地在样品表面移动,针尖-样品间的相
-8 -11
互作用力为原子之间的库仑排斥力,其大小通常为10 ~10 N。
2) 非接触模式:
范德华吸引力
样品表面
如上图所示,探针在样品表面5~10nm处扫描,探针始终不与样品接触,因而针尖不会对样
品造成污染或产生破坏。在这种模式中,针尖和样品间的相互作用力为长程的范德华吸引力。
3) 轻敲模式:
库仑排斥力
样品表面
如上图所示,在轻敲模式中,微悬臂在其共振频率附近作受迫振动,间断地与样品接触,这
样就避免了针尖与样品的粘附以及针尖对样品的破坏。当针尖与样品不接触时,针尖以最大
振幅受迫振荡,当针尖与样品接触时,库仑排斥力使微悬臂的共振频率发生变化,振幅大大
减小,于是反馈系统自动调节针尖高度,使针尖的振幅保持恒定,这样就获得了样品表面的
形貌信息。
AFM
AFM
二.AAFFMM操作方法:
1.将扫描头取下,观察是否已安装针尖。
2.若未安装针尖,则在确认遮光盖已装好的情况下小心地用镊子将针尖安装到扫描头上。安
装过程中一定要防止针尖与任何物体接触,如果是第一次安装,建议先用已损坏的针尖进行
练习。
3.观察仪器上的SENSOR指示灯是否为绿,如果绿灯未亮,则需要重新安装针尖直至绿灯
亮起为止。
4.用酒精清洗样品表面,并用洗耳球吹干。
5.将样品
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