物体表面形貌的纳米级观测.docx

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1、物体表面形貌的纳米级观测1986年第一台原子力显微镜(atomicforcemicroscope，简称AFM)诞生。原子力显微镜利用微悬臂感受并放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力，从而达到检测目的，具有原子级的分辨率。利用AFM不需要对样品进行前期处理,在大气条件下可以测到样品表面的三维形貌图，并可对扫描所得到的三维形貌图象进行粗糙度、高度、颗粒度的计算和分析。在电化学、生物医学、材料科学等领域，AFM是必备的测试仪器。本实验用原子力显微镜观察和测量样品表面的纳米级微观形貌，样名可选名片纸、DVD光盘、玻璃、光栅、金属片、

2、半导体片和生物体表层等。【实验目的】（1）了解原子力显微镜的基本结构和基本工作原理。（2）了解原子力显微镜的光路调节原理和方法。（3）熟悉用原子力显微镜进行表面观测的方法。（4）掌握仔细阅读显微镜使用说明书并进行正确操作的方法。【实验原理】1．原子力显微镜的工作原理原子力显微镜（AFM）是继扫描隧道显微镜(STM)之后发明的一种具有纳米级高分辨率的新型仪器，它可以在大气和液体环境下探测样品表面的三维形貌图，是国际上近年发展起来的表面分析仪器，是综合运用光电子技术、激光技术、微弱信号检测技术、精密机械设计和加工技术、自动控制技术、数字

3、信号处理技术、应用光学技术、计算机高速采集和控制技术及高分辨图形处理技术等现代科技成果的光、机、电一体化的高科技产品。原子力显微镜是利用原子间的相互作用力来观察物体表面微观形貌的。在样品扫描的过程中，激光束聚焦在微悬臂探针背面，并从微悬臂背面反射到位置检测器上。当承载样品的压电扫描器在针尖下方运动时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子之间发生了相互作用力，使得微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移。位置检测器通过检测激光光斑位置的变化，就可以获得微悬臂的偏转状态，信号反馈电路可把探测到的微悬臂偏移量信号转换成图

4、像信号，通过计算机输出到屏幕上,同时根据微悬臂的偏移量控制压电扫描器的运动。如图5-4-1所示。图5-4-1AFM工作示意图在系统扫描成像的全过程中，探针和被测样品间的距离始终保持在纳米（10-9m）量级，距离太大则不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品。原子与原子之间的作用力与它们之间的距离有关，如图5-4-2所示。同样，针尖与样品之间的作用力大小也与它们之间的距离有关，如图5-4-3所示。图5-4-2原子与原子之间的作用力与它们之间的距离有关图5-4-3针尖与样品间作用力图5-4-3标出了两个区域，分别为：接触区域

5、、非接触区域。理想实验条件下，当针尖接近样品表面的时，当针尖和样品的距离接近于几纳米的时候，原子之间的范德瓦尔力就作用于针尖，开始时表现为吸引力；当原子之间的距离缩小到零点几纳米的时候，他们之间的作用力开始变化为排斥力；当针尖到样品表面的距离在整个区域反复变化时,两者之间的作用力在吸引力和排斥力之间反复变化。根据以上三种情况，可以用相应的三种方式对样品进行扫描。分别介绍如下:（1）接触式扫描接触模式也称为排斥力模式，此模式下针尖和样品之间的距离对应图3中的“接触区域”。接触区域内相互作用力曲线的斜率非常大，这意味着只要针尖与样品的距

6、离发生一个极微小的变化，就会造成相应的作用力显著变化，因此这种扫描模式灵敏度很高，扫描出来的图像分辨率也很高。但是，当悬臂的材料非常硬时，此扫描模式容易造成样品表面发生变形。（2）非接触式扫描非接触模式应用的是一种振动悬臂技术，此模式下针尖与样品之间的距离对应图3中的“非接触区域”。这种扫描模式下，针尖和样品之间的力很小，一般只有10-12N，这对于研究软体或弹性样品是非常有利的。但是，由于针尖和样品间的作用力太弱，会导致此种模式下的反馈信号很弱，扫描出来的图像分辨率较接触模式有所下降。但在该扫描模式下进行扫描不会造成样品表面发生形

7、变。（3）轻敲式扫描轻敲模式是介于接触模式和非接触模式之间的成像技术。在扫描过程中，探针在样品表面上以接近微悬臂固有频率振动，振荡的针尖交替地与样品表面接触和抬高，这种交替通常达到每秒钟上万次。由于针尖同样品接触，扫描分辨率通常几乎和接触模式一样好，由于接触是非常短暂的，因此由横向的剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失，克服了常规接触扫描模式的局限性。当振荡的针尖接近样品表面，它会受到样品表面的相互作用力而与样品表面进行短暂的接触。这时由于微悬臂受到针尖和样品之间相互作用力的阻尼作用，其振幅将减少，反馈系统根据激光位置检测器检测到这

8、个振幅，通过调整针尖和样品之间的距离来控制微悬臂振幅，使针尖作用在样品上的力恒定，从而得到样品的表面形貌。轻敲模式下AFM针尖和样品间的作用力通常为～N。它可以对相对柔软、易脆和粘附性较强的样品成像，并且不会对样品表面产生破坏。经过反