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第三讲 原子力显微术AFM 为了弥补STM的不足，1986年宾尼等[1]（Binnig， Quate和Gerber在斯坦福大学）又提出了原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)的设想。 粗看起来觉得难以想像，原子间的作用力那么小，怎么能够加以利用？ 认真计算后可以发现，现代加工技术能够较容易制造一个悬臂，其弹性常数弱于原子间的相应量。 例如，分子或晶格中原子的振荡频率为1013Hz或更高，原子质量为10-25kg量级，则原子间的弹性系数为10N／m量级，而一个4mm×lmm的铝箔的弹性系数为1N／m。 因此可以利用力学传感器检测弱到0.1nm的形变，而不至于将原子推离原来的位置。早期的原子力显微镜采用隧道电流检测力敏元件的位移，从而实现对探针尖端原子与表面原子间排斥力的监测。 1987年，美国斯坦福大学奎特教授研制成功现在所广泛采用的激光偏转监测原子力显微镜和可以批量制备的微探针，使原子力显微镜的稳定性大大提高。 原子力显微镜由扫描探头、电子控制系统、计算机控制及软件系统、步进电机和自动逼近控制电路四部分构成，其工作原理非常类似于盲人在读盲文时，用手指来感受表面起伏。 奎特（Quate）等人获得了高序热解石墨(HOPG)[2]和高序热解氮化硼(HOPBN)[3]表面的高分辨原子图像，其中HOPBN是第一个用AFM获得原子分辨图像的绝缘体。 本讲第一节介绍AFM的基础知识，主要包括工作原理、AFM针尖的制备方法以及微悬臂形变检测方法和力常数的测定。 第二节主要介绍AFM的几种主要操作模式，如接触模式、轻敲模式、力调制模式和力曲线模式等，着重介绍各种模式的应用范围及特点。 第三节着重介绍AFM在纳米材料研究中的应用，涉及AFM样品的制备方法以及典型应用实例，重点介绍AFM技术在材料的表面结构、力学性能以及生物材料研究方面的应用，并且对于针尖放大效应进行简单阐述。 3．1 AFM基础知识 3．1．1工作原理 3．1．2微悬臂形变的检测方法 （第1）隧道电流检测法 （第2）电容检测法 （第3）光学检测法 （第4）压敏电阻检测法 3．1．3微悬臂的设计、制备及力常数的测定 （第1）微悬臂的设计 （第2）微悬臂的制作 （第3）微悬臂力常数的测定 3．2 AFM的不同操作模式 3．2．1成像模式 （第1）接触模式 （第2）非接触模式 （第3）轻敲模式 （第4）插行扫描(Interleave) 模式 （第5）力调制模式 （第6）影响成像和分辨率的因素 3．2．2力曲线模式 （第1）接触式力曲线 （第2）轻敲式力曲线 （第3）力分布成像(Force Volume Imaging) （第4）影响力曲线测定的因素 参 考 文 献 1 Binnig G, Quate C F, Gerber C. Phys Rev Lett, 1986, 56:930 2 Binnig G, Gerber C, Stoll E, et al. Enro-phys Lett, 1987, 3:1281 3 Albrecht T R, Quate C F. J Appl Phys, 1987, 62:2599 3．1 AFM基础知识 3．1．1 工作原理 AFM是利用一个对力敏感的探针探测针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的，工作原理如图3—1所示。 将一个对微弱力极敏感的弹性微悬臂一端固定，另一端的针尖与样品表面轻轻接触。当针尖尖端原子与样品表面间存在极微弱的作用力(10-8～10-6 N)时，微悬臂会发生微小的弹性形变。 针尖和样品之间的力F与微悬臂的形变Δz之间遵循虎克定律(Hooke Law) F＝k?Δz (3—1) 其中，k为微悬臂的力常数。 测定微悬臂形变量的大小，就可以获得针尖与样品之间作用力的大小。 针尖与样品之间的作用力与距离有强烈的依赖关系，所以在扫描过程中利用反馈回路保持针尖和样品之间的作用力恒定，即保持微悬臂的变形量不变，针尖就会随表面的起伏上下移. 记录针尖上下运动的轨迹即可得到表面形貌的信息。这种检测方式被称为“恒力”模式(Constant Force Mode)，是使用最广泛的扫描方式。 AFM的图像也可以使用 ( Constant Height) “恒高” 模式来获得，也就是在x、y扫描过程中，不使用反馈回路，保持针尖与样品之间的距离恒定，检测器直接测量微悬臂z方向的形变量来成像。 这种方式可以采用更高的扫描速度，通常在观察原子、分子像时用得比较多，而对于表面