《原子力显微镜》课件.pptVIP

原子力显微镜原子力显微镜（AFM）是一种高分辨率成像技术，用于观察材料的表面。它利用一个尖锐的探针在材料表面扫描，并记录探针与表面之间相互作用力的变化。

什么是原子力显微镜高分辨率显微镜原子力显微镜(AFM)是一种高分辨率成像技术，能够以纳米级分辨率观察材料的表面。AFM使用一个尖锐的探针来扫描样品表面，并通过测量探针与样品之间的相互作用力来生成图像。

原子力显微镜的历史11980年代初格尔德·宾尼格和海因里希·罗雷尔在IBM苏黎世实验室发明了第一台扫描隧道显微镜(STM)。21986年宾尼格、夸特和格伯在STM的基础上，发明了原子力显微镜(AFM)。31980年代后期AFM迅速得到发展，并成为重要的表面表征技术。

原子力显微镜的工作原理1探针扫描尖锐探针在样品表面扫描2原子力相互作用探针与样品表面原子相互作用3力传感器测量力传感器测量探针受到的力4反馈控制系统保持探针与样品表面之间的距离5图像生成力传感器数据生成样品表面图像

主要构造部件扫描探针扫描探针是AFM的核心部件。它是一个由尖锐的针尖组成的微型悬臂梁，用于扫描样品表面。针尖可以是金属、硅或金刚石等材料制成，其形状和尺寸会影响成像质量。力传感器力传感器用于测量针尖与样品之间的相互作用力。它通常是一个微型压电器件，可以将力的变化转化为电信号。反馈控制系统反馈控制系统是AFM的核心技术之一，它负责控制针尖的高度和扫描速度，以保证针尖始终保持在样品表面上并获得清晰的图像。样品台样品台用于放置待测样品，并可以进行三维移动，以便对样品进行全面的扫描。

扫描探针尖锐的针尖针尖通常由硅或氮化硅制成，具有纳米级的尖锐形状，用于扫描样品表面。多种形状探针的针尖可以是锥形、金字塔形或其他形状，以适应不同的样品和测量需求。附着微悬臂梁针尖通常固定在一个微型悬臂梁上，悬臂梁可以振动，并通过其振动频率的变化来检测样品表面的力。

力传感器悬臂梁力传感器通常采用微型悬臂梁设计，悬臂梁尖端附着于探针。激光反射激光束照射到悬臂梁背面，反射光束被光电二极管接收，用于检测悬臂梁的偏转。反馈控制悬臂梁的偏转信号被用于反馈控制系统，以维持探针与样品之间的预设力。

反馈控制系统反馈控制系统是原子力显微镜的核心部分。它实时监测探针与样品之间的相互作用力。根据力的大小，调整探针的垂直位置，以保持探针与样品之间的距离恒定。确保扫描过程稳定，获得高质量的图像。

反馈控制的作用维持探针高度通过不断调整探针高度，确保探针始终以设定力作用于样品表面。防止探针碰撞避免探针与样品表面发生碰撞，从而保护探针和样品。提高成像质量确保探针以恒定的力扫描样品表面，获得清晰稳定的图像。

样品台样品台是放置样品的平台，用于精确定位样品并进行扫描。样品台通常具有高精度和稳定性，以确保扫描过程的准确性。样品台可根据样品尺寸和扫描范围进行调节，方便操作和观察。

三维扫描机构三维扫描机构原子力显微镜的核心部件之一，负责控制探针在样品表面进行扫描。扫描范围和精度扫描范围取决于机构的尺寸和精度，精度决定成像分辨率。

信号检测和放大电路11.信号检测原子力显微镜探针上的微弱振动，通过传感器的变化转换成电信号。22.信号放大检测到的电信号非常微弱，需要经过放大电路进行处理。33.滤波和处理放大后的信号通常会包含噪声，需要经过滤波器和信号处理电路。44.数字化输出最后将处理后的信号转换成数字信号，用于成像和数据分析。

数据采集和处理系统数据采集原子力显微镜通过传感器收集信号数据，例如探针位移和力信息。这些数据以高采样率记录下来，用于构建图像和分析表面性质。信号处理采集到的原始信号数据可能包含噪声和误差，需要进行滤波、校正和数字化处理。信号处理算法可以增强信号质量，减少干扰，提取更准确的信息。数据存储处理后的数据通常存储在计算机中，方便后续分析和比较。数据存储格式可以是文本文件、图像文件或数据库格式。图像重建根据采集到的数据，原子力显微镜系统可以重建样品的表面图像，并提供各种三维可视化效果。

成像模式接触模式探针尖端直接接触样品表面，扫描过程中保持恒定接触力。非接触模式探针尖端悬浮在样品表面上方，通过振动探针测量样品表面形貌。间歇接触模式探针尖端以特定频率振动，间歇地接触样品表面，既能获得高分辨率图像，又能减少对样品的损伤。

接触模式探针与样品紧密接触探针尖端与样品表面直接接触，测量样品表面的形貌和力学性质。高分辨率成像能够获得纳米尺度的表面细节，适用于研究表面形貌、粗糙度和硬度等。

非接触模式悬空扫描探针悬浮在样品表面上方，不与样品接触。振荡探针探针以一定频率振荡，并利用振荡频率的变化来检测样品表面形貌。灵敏度高非接触模式可以有效减少探针与样品之间的摩擦力，提高成像分辨率和灵敏度。应用广泛适用于各种软材料和易损样品的表面形貌分析。

间歇接触