《AFM简介实验》PPT课件

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1、原子力显微镜AtomicForceMicroscopy主要内容发展历史基本原理应用显微镜发展历史第一代：光学显微镜(1676)第二代：电子显微镜(1938)第三代：扫描探针显微镜SPM（1982）光学显微镜*S衍射屏观察屏a刚可分辨不可分辨衍射效应r~0.2um（3000倍）最小分辨距离：阿贝公式1938年：第一台透射电子显微镜（TEM）。1952年：第一台扫描电子显微镜（SEM）。电子显微镜的分辨率可以达到纳米级（10-9m）。电子显微镜样品处理过程复杂要在高真空的环境下操作电子波长比可见光短得多。制成电子显微镜将具有更

2、高的分辨本领。scanningtunnelingMicroscopy(STM，1982)Atomicforcemicroscopy(AFM)LateralForceMicroscopy(LFM)MagneticForceMicroscopy(MFM)ElectrostaticForceMicroscopy(EFM)ChemicalForceMicroscopy(CFM)NearFieldScanningOpticalMicroscopy(NSOM)扫描探针显微镜SPMSPM是指在STM基础上发展起来的一大类显微镜，通过探测极

3、小探针与表面之间的物理作用量如光、电、磁、力等的大小而获得表面信息。发展历史工作原理应用基本原理仪器构成工作模式1982年，GerdBinnig和HeinrichRohrer发明扫描隧道显微镜（STM)，获得1986年的诺贝尔物理学奖。宾尼罗雷尔基本原理在STM基础上发展而来——STM原理基本原理在STM基础上发展而来电子隧道效应隧道电流随探针样品间距离减小而呈指数增加．d<1nm——STM原理样品导电性要好1986，IBM，葛·宾尼（G.Binnig）发明了原子力显微镜(AtomicForceMicroscope,AFM)

4、——新一代表面观测仪器．原理：利用原子之间的范德华力（VanDerWaalsForce）作用来呈现样品的表面特性基本原理基本原理原子间的作用力吸引部分排斥部分Fpaird原子原子排斥力原子原子吸引力samplescannercantileverphotodetectorlaserdiode微悬臂激光二极管光电检测器基本原理AFM信号反馈模式基本原理力检测部分光学检测部分反馈电子系统压电扫描系统计算机控制系统仪器构成接触模式(contactmode)非接触模式(non-contactmode)轻敲模式(tapping/inte

5、rmittentcontactmode)vanderWaalsforcecurve工作模式针尖始终向样品接触并简单地在表面上移动，针尖—样品间的相互作用力是互相接触原于的电子间存在的库仑排斥力，其大小通常为10－8—10－11N。vanderWaalsforcecurve工作模式-接触模式d＜０.０３nm优点：可产生稳定、高分辨图像。缺点：可能使样品产生相当大的变形，对柔软的样品造成破坏，以及破坏探针，严重影响AFM成像质量。工作模式-接触模式相互作用力是范德华吸引力，远小于排斥力.vanderWaalsforcecurve

6、d:5~20nm振幅：2nm～5nm工作模式-非接触模式范德华吸引力微悬臂以共振频率振荡，通过控制微悬臂振幅恒定来获得样品表面信息的。优点：对样品无损伤缺点：1）分辨率要比接触式的低。2）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。工作模式-非接触模式介于接触模式和非接触模式之间:其特点是扫描过程中微悬臂也是振荡的并具有比非接触模式更大的振幅(5~100nm)，针尖在振荡时间断地与样品接触。vanderWaalsforcecurve振幅：5nm～100nm工作模式-轻敲模式特点：1）分辨率几乎同接触模式一样

7、好；2）接触非常短暂，因此剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失；工作模式-轻敲模式工作模式-轻敲模式相位成像(phaseimaging)技术通过轻敲模式扫描过程中振动微悬臂的相位变化来检测表面组分,粘附性,摩擦,粘弹性和其他性质的变化.基本原理基本原理原子力显微镜之解析度基本原理基本原理基本原理氮化硅探针针尖放大图基本原理为克服“加宽效应”：一方面可发展制造尖端更尖的探针技术，另一方面对标准探针进行修饰也可提高图像质量。针尖技术单碳纳米壁管直径0.7～5nm基本原理AFM技术的主要特点:优点:制样相对简单,多数情况下对样品不

8、破坏.具有高分辨率，三维立体的成像能力，可同时得到尽可能多的信息.操作简单,对附属设备要求低.缺点:对试样仍有较高要求,特别是平整度.实验结果对针尖有较高的依赖性(针尖效应).仍然属于表面表征技术,需和其他测试手段结合.主要内容发展历史工作原理应用原子力显微镜的应用金属半导体材料化学纳米材