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原子力显微镜 固体材料实验方法11982 年年,Gerd Binnig 和和Heinrich Rohrer 共同研制成功了第一台共同研制成功了第一台扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope,STM),1986 年年,Binnig 和和Rohrer 被授予诺贝尔物理学奖。被授予诺贝尔物理学奖。衍生出一系列扫描探衍生出一系列扫描探衍生出一系列扫描探衍生出一系列扫描探针显微镜（针显微镜（针显微镜（针显微镜（Scanning Probe microscopeScanning Probe microscope）扫描探针显微镜具有三个传统显微镜无法达到的重大突破扫描探针显微镜具有三个传统显微镜无法达到的重大突破扫描探针显微镜具有三个传统显微镜无法达到的重大突破扫描探针显微镜具有三个传统显微镜无法达到的重大突破扫描探针显微镜具有极高度的解析力扫描探针显微镜具有极高度的解析力扫描探针显微镜具有极高度的解析力扫描探针显微镜具有极高度的解析力扫描探针显微镜具有三维立体的成像能力扫描探针显微镜具有三维立体的成像能力扫描探针显微镜具有三维立体的成像能力扫描探针显微镜具有三维立体的成像能力扫描探针显微镜可以在多种环境下操作扫描探针显微镜可以在多种环境下操作扫描探针显微镜可以在多种环境下操作扫描探针显微镜可以在多种环境下操作这些显微技术都是利用探针与样品的不同相互作用，来探测表这些显微技术都是利用探针与样品的不同相互作用，来探测表面或界面在纳米尺度上表现出的物理性质和化学性质。面或界面在纳米尺度上表现出的物理性质和化学性质。2原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)是由Binnig与史丹佛大学的Quate 于一九八五年所发明的3AFM的优点的优点STM 的探针是由针尖与样品之间的隧道电流的变化决的探针是由针尖与样品之间的隧道电流的变化决定的定的,STM要求样品表面能够导电，只能直接观察导体要求样品表面能够导电，只能直接观察导体和半导体的表面结构。和半导体的表面结构。对于非导电的物质则要求样品对于非导电的物质则要求样品覆盖一层导电薄膜，但导电薄膜的粒度和均匀性难以覆盖一层导电薄膜，但导电薄膜的粒度和均匀性难以保证，且掩盖了物质表面的细节。保证，且掩盖了物质表面的细节。原子力显微镜利用原子之间的范德华力来呈现样品的表原子力显微镜利用原子之间的范德华力来呈现样品的表面特性。因此，面特性。因此，AFM 除导电样品外，还能够观测非导电除导电样品外，还能够观测非导电样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆盖，其应用领样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆盖，其应用领域将更为广阔。域将更为广阔。4v原子级的高分辨率原子级的高分辨率AFM的三大特点的三大特点光学显微镜的放大倍数一般都超不过光学显微镜的放大倍数一般都超不过1000倍倍;电子显微镜的放大倍数极限为电子显微镜的放大倍数极限为100万倍万倍;而而AFM的放大倍数能高达的放大倍数能高达10亿倍亿倍,5v观察活的生命样品观察活的生命样品电子显微镜的样品必须进行固定、脱水、包埋、切片、电子显微镜的样品必须进行固定、脱水、包埋、切片、染色等一系列处理染色等一系列处理,因此电子显微镜只能观察死的细胞因此电子显微镜只能观察死的细胞或组织的微观结构或组织的微观结构;原子力显微镜的样本可以是生理状态的各种物质原子力显微镜的样本可以是生理状态的各种物质,在大气条件或溶液中都能进行在大气条件或溶液中都能进行,因而只需很少或不因而只需很少或不需对样品作前期处理需对样品作前期处理,这样这样,就使就使AFM能观察任何活能观察任何活的生命样品及动态过程。的生命样品及动态过程。6v加工样品的力行为加工样品的力行为测试样品的硬度和弹性等测试样品的硬度和弹性等;AFM还能产生和测还能产生和测量电化学反应。量电化学反应。AFM还具有对标本的分子还具有对标本的分子或原子进行加工的力行为或原子进行加工的力行为,例如例如:可搬移原子，可搬移原子，切割染色体，在细胞膜上打孔等等。切割染色体，在细胞膜上打孔等等。73.1 3.1 原子力显微镜简介原子力显微镜简介2.原子力显微镜的基本工作原理原子力显微镜的基本工作原理 试件试件微悬臂和探针微悬臂和探针压电扫描器压电扫描器显示器显示器计算机计算机及控制器及控制器激光激光探测器探测器ST M探针探针 AFM探针探针 STM 驱动驱动 AFM 扫描驱动扫描驱动 试件试件 微悬臂微悬臂 8 立式AFM(Hansma等,1988)原原子子力力显显微微镜镜后后来来又又经经过过多多次次改改进进，现现代代的的AFM不不仅仅有有原原子子级级的的分分辨辨率率(纵纵向向0.01nm，横横向向0.1 nm)，针针尖尖对对试试件件的的作作用用力力极极小小，基基本本不不划划伤伤试试件件，能能测测量量软软质质试试件件，而而且具有多项新的测量功能且具有多项新的测量功能 93.原子力显微镜的总体结构组成原子力显微镜的总体结构组成 103.2 3.2 原子力显微镜的测量和扫描模式原子力显微镜的测量和扫描模式1.AFM检测的要求检测的要求 探探针针尖尖和和试试件件表表面面非非常常接接近近时时，二二者者间间的的作作用用力力极极为为复复杂杂，有有原原子子(分分子子、离离子子)间间的的排排斥斥力力(库库仑仑力力)、吸吸引引力力(范范德德华华力力)、磁磁力力、静静电电力力、摩摩擦擦力力(接接触触时时)、粘粘附附力力、毛毛细细力力等等。AFM的的检检测测成成像像用用的的是是原原子子(分分子子、离离子子)间间的的排排斥斥力力(接接触触测测量量)或或吸吸引引力力(非非接接触触测测量量)，而而其其他他各各种种作作用用力力对对AFM的的检检测测成成像像并并无无帮帮助助，而而只只是是起起干干扰扰影影响响作作用。用。2.作用力的检测模式作用力的检测模式 1)恒力测量模式；恒力测量模式；2)测量微悬臂形变量的测量模式；测量微悬臂形变量的测量模式；3)恒力梯度测量模式恒力梯度测量模式;4)力梯度测量模式力梯度测量模式。11AFM的三种扫描成像模式 3.AFM检测时的扫描成像模式检测时的扫描成像模式 AFM检检测测试试件件表表面面微微观观形形貌貌时时，现现在在采采用用三三种种不不同同的的扫扫描描成成像像模式：模式：1)接接触触扫扫描描成成像像模模式式(contact mode)，2)非非接接触触扫扫描描成成像像模模式式或或抬抬高高扫扫描描成成像像模模式式(non-contact mode或或 lift mode),3)轻轻敲敲扫扫描描成成像像模模式式(tapping mode)121）接触扫描成像模式）接触扫描成像模式 该该方方式式所所感感知知的的力力是是接接触触原原子子的的外外层层电电子子相相互互排排斥斥的的库库仑仑力力，这这相相互互排排斥斥的的库库仑仑力力大大小小在在1081011 N。该该方方式式可可以以稳稳定定地地获获得得高高分分辨辨率率试试件件表表面面微微观观形形貌貌图图像像，有有可能达到原子级的测量分辨率。其缺点如下：可能达到原子级的测量分辨率。其缺点如下：（1）检检测测弹弹性性模模量量低低的的软软质质试试件件时时，试试件件表表层层在在针针尖尖力力的的作作用用下下会会产产生生变变形形，甚甚至至划划伤，这将使测出的表面形貌图像出现假象。伤，这将使测出的表面形貌图像出现假象。（2）在在大大气气条条件件下下，多多数数试试件件表表面面都都吸吸附附着着覆覆盖盖层层（凝凝集集水水蒸蒸气气，有有机机污污染染物物，氧氧化化层层等等），厚厚度度一一般般为为几几nm。当当探探针针尖尖接接触触这这吸吸附附层层时时，毛毛细细现现象象会会使使吸吸附附层层下下凹凹，或或粘附到针尖上，引起额外的粘附力，增加了总的作用力，造成了检测成像的畸变。粘附到针尖上，引起额外的粘附力，增加了总的作用力，造成了检测成像的畸变。（3）针尖和试件接触并滑行，容易使探针尖磨损甚至损坏。）针尖和试件接触并滑行，容易使探针尖磨损甚至损坏。2）非接触扫描成像模式）非接触扫描成像模式 非非接接触触扫扫描描模模式式测测量量时时，测测量量的的作作用用力力是是以以范范德德华华力力为为主主的的吸吸引引力力，针针尖尖试试件件间距离大致在间距离大致在520 nm。非非接接触触扫扫描描测测量量模模式式的的主主要要优优点点,是是探探针针和和试试件件不不接接触触，针针尖尖测测量量时时不不会会使使试试件件表表面面变变形形，适适用用于于弹弹性性模模量量低低的的试试件件，此此外外因因针针尖尖和和试试件件不不接接触触，测测量量不不受受毛毛细细力力的的影影响，同时针尖也不易磨损。但非接触扫描测量模式测量灵敏度要低些。响，同时针尖也不易磨损。但非接触扫描测量模式测量灵敏度要低些。13AFM轻敲扫描针尖振荡示意图 3）轻敲扫描成像模式）轻敲扫描成像模式 143.3 3.3 探针与试件间的作用力探针与试件间的作用力 1.探针与试件间的各种作用力探针与试件间的各种作用力 1）各种长程力和短程力）各种长程力和短程力 作用力作用力举例举例相互作用距离相互作用距离 长长程程力力磁力磁力生物铁磁体生物铁磁体0.1m磁畴磁畴107m静电力静电力针类针类试件间电容试件间电容107m毛细力毛细力玻璃上水膜玻璃上水膜103m针尖和试件间凹面针尖和试件间凹面109m液固界面力液固界面力107m范德华力范德华力针尖一试件间（针尖一试件间（RZ）108m 短短程程力力粘附力粘附力跳跃接触跳跃接触109m排斥力排斥力针尖试件接触针尖试件接触1010m弱相互作用力弱相互作用力1015m强相互作用力强相互作用力1015m15探针试件间距离在探针试件间距离在10 m左右时，空气阻尼力左右时，空气阻尼力探针试件间距离在探针试件间距离在1001000nm时，主要静电力和磁力相互作用时，主要静电力和磁力相互作用探针试件间距离在探针试件间距离在10100nm处，吸附水膜产生几百处，吸附水膜产生几百nN吸引力的毛细力吸引力的毛细力针尖试件距离到达针尖试件距离到达10 nm左右时左右时，原子，原子(分子、离子分子、离子)间吸引的范德华力间吸引的范德华力针尖试件间距离小到针尖试件间距离小到1 nm以内时，原子间相互排斥的厍仑力开始起作用以内时，原子间相互排斥的厍仑力开始起作用 2）探针尖接近试件过程中发生作用的各种力）探针尖接近试件过程中发生作用的各种力 3）AFM测量时利用的相互作用力测量时利用的相互作用力 在接触测量时，检测的是它们间的相互排斥力；在接触测量时，检测的是它们间的相互排斥力；在非接触测量时，检测的是它们间的相互吸引力在非接触测量时，检测的是它们间的相互吸引力 4）针尖试件间其他作用力及其应用于各种扫描力显微镜）针尖试件间其他作用力及其应用于各种扫描力显微镜 针尖试件间相互作用的磁力，可制成检测材料磁性能的磁力显微镜针尖试件间相互作用的磁力，可制成检测材料磁性能的磁力显微镜(MFM)；针针尖尖试试件件间间相相互互作作用用的的静静电电力力，可可制制成成检检测测材材料料表表面面电电场场电电势势的的静静电电力力显显微微镜镜(EFM)；探探针针试试件件接接触触滑滑行行时时的的摩摩擦擦力力，可可制制成成研研究究材材料料摩摩擦擦磨磨损损行行为为的的摩摩擦擦力力显显微微镜镜(FFM)；162.AFM工作时针尖试件间的相互作用力工作时针尖试件间的相互作用力 石墨石墨H位上的两种电荷密度分布位上的两种电荷密度分布 1）相互排斥的库仑力和相互吸引的范德华力）相互排斥的库仑力和相互吸引的范德华力（1）原子间的排斥力）原子间的排斥力 原原子子（分分子子）间间的的排排斥斥力力是是由由于于原原子子外外面面的的电电子子云云相相互互排排斥斥而而产产生生的的，原原子子间间的的排排斥斥力力是是很很强强的的，在在AFM测测量量时时排排斥斥力力在在1081011N数数量量级级，是是短短程程的的相相互互作作用用力力，作作用用距离在距离在1010m，随距离增加排斥力迅速衰减。，随距离增加排斥力迅速衰减。（2）原子间的相互吸引力）原子间的相互吸引力 原原子子(分分子子)间间相相互互吸吸引引的的范范德德华华力力,是是原原子子或或分分子子靠靠近近时时产产生生相相互互极极化化而而产产生生的的微微弱弱引力。属长程力，作用距离可达引力。属长程力，作用距离可达108 m以上。以上。17范德华力，由三部分组成范德华力，由三部分组成：(1)偶极偶极相互作用力，即两个偶极子之间的作用力；偶极偶极相互作用力，即两个偶极子之间的作用力；(2)偶偶极极感感应应偶偶极极间间的的相相互互作作用用力力,同同被被它它感感应应的的偶偶极极子子间间的的相互作用力；相互作用力；(3)色散力，它存于中性的原子或分子间。这些中性的原子或分色散力，它存于中性的原子或分子间。这些中性的原子或分 子的时间平均偶极矩为零，但是由于电子不断围绕原子核运子的时间平均偶极矩为零，但是由于电子不断围绕原子核运 动，在某一瞬间可能产生一定的偶极矩，使得中性原子或分动，在某一瞬间可能产生一定的偶极矩，使得中性原子或分 子之间产生瞬时间偶极矩作用，从而产生了色散力。子之间产生瞬时间偶极矩作用，从而产生了色散力。Fv=Hamaker常数常数A是决定范德华作用能大小的关键性参数是决定范德华作用能大小的关键性参数 182）针尖试件原子间作用力和距离的关系）针尖试件原子间作用力和距离的关系 针尖试件原子间作用力和距离的关系针尖试件原子间作用力和距离的关系 Al针尖和针尖和Al试件距离不同时相互作用力试件距离不同时相互作用力193）针尖和试件）针尖和试件“接触接触”的概念的概念 当当两两物物体体逐逐渐渐接接近近到到二二者者之之间间的的相相互互作作用用合合力力为为“零零”的的临临界界点点时时，这这两两物物体体被被认认为为开开始始接接触触。即即两两物物体体之之间间相相互互作作用用的的合合力力是是排排斥斥力力时时，这这两两物物体体是是被被认认为为相相互接触的互接触的;两物体之间相互作用的合力是吸引力时，这两物体是被认为相互不接触的。两物体之间相互作用的合力是吸引力时，这两物体是被认为相互不接触的。4）AFM的接触测量和不接触测量的接触测量和不接触测量 不易用于测量不易用于测量203.悬臂针尖试件相互作用的动力学分析悬臂针尖试件相互作用的动力学分析 1）针尖试件相互作用的势能）针尖试件相互作用的势能 r两原子间距离两原子间距离两原子间作用能的系数两原子间作用能的系数在在u(r)=0时的两原子间距离时的两原子间距离 针尖试件间距离为针尖试件间距离为z的总势能的总势能 213.4 3.4 毛细力和毛细力和AFMAFM在液体中测量在液体中测量 1.试件表面的吸附层试件表面的吸附层 物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附亲水亲水疏水疏水222.毛细力及其对毛细力及其对AFM测量的影响测量的影响 在在R=50100 nm，相相对对湿湿度度在在4080时，毛细力大约在几十时，毛细力大约在几十nN数量级。数量级。3.液体中针尖液体中针尖试件间的相互作用力试件间的相互作用力 探探针针和和试试件件都都浸浸入入液液体体内内进进行行测测量量时时，可可以以完完全全消消除除毛毛细细现现象象，因因此此可可不不受受毛毛细细力力的的干干扰扰，使使测测量量时时的的作作用用力力大大大大减减小小，而且可以：而且可以：1)检测软质试件；检测软质试件；2)可以观察检测活的生物细胞；可以观察检测活的生物细胞；3)可以观察研究可以观察研究“固液界面固液界面”。23 现现在在还还不不能能完完全全控控制制AFM在在液液体体中中不不同同条条件件时时的的针针尖尖试试件件间间的的相相互互作作用用力力，作作用用机机理理也也不不完完全全清清楚楚。但但AFM在在液液体体中中测测量量时时，因因消消除除了了毛毛细细力力，可可以以使使针针尖尖试试件件间间的的作作用用力力，比比在在真真空空中中测测量量降降低低两两个个数数量量级级。这这对对检检测测柔柔软生物细胞，低弹性模量的软质材料极为重要。软生物细胞，低弹性模量的软质材料极为重要。4.在液体中在液体中AFM的检测的检测 24水下水下Au(111)的的AFM图像图像(Manne,1990)原子分辨率的起伏幅度约原子分辨率的起伏幅度约1。DNA的的AFM图图像像(Digital Instruments)253.5 3.5 影响影响AFMAFM测量精度的若干问题分析测量精度的若干问题分析 1.探针作用力引起的试件表面变形探针作用力引起的试件表面变形 2.微悬臂对测量结果的影响微悬臂对测量结果的影响 261)在在AFM采用接触测量时，采用接触测量时，ki 0，实测高度，实测高度z将小于试件表面真实的起伏。将小于试件表面真实的起伏。2)在在AFM采采用用恒恒力力测测量量模模式式时时，针针尖尖一一试试件件间间的的相相互互作作用用力力需需保保持持不不变变。当当检检测测中中作作用用力力发发生生变变化化kih时时，反反馈馈系系统统通通过过改改变变z,使使悬悬臂臂的的变变形形力力产产生生变变化化,而达到平衡而达到平衡：kc(z h)=ki h3)在在AFM测测量量时时,针针尖尖的的预预置置力力越越大大，纵纵向向测测量量结结果果的的放放大大作作用用也也越越大大，即即纵纵向畸变也增大。为减小测量误差，应尽量采用小的针尖预置力。向畸变也增大。为减小测量误差，应尽量采用小的针尖预置力。4)AFM测测量量结结果果的的纵纵向向放放大大量量（畸畸变变）和和微微悬悬臂臂的的刚刚度度有有关关。在在采采用用等等间间隙隙测测量量模模式式时时，从从式式中中可可看看，采采用用刚刚度度kc较较低低的的微微悬悬臂臂较较为为有有利利，可可以以减减小小纵纵向向测测量量误误差差。但但如如采采用用恒恒力力测测量量模模式式时时，为为减减小小纵纵向向测测量量误误差差,应应采采用用刚刚度度较较高高的的微微悬悬臂臂，这这和和采采用用等等间间隙隙测测量量模模式式时时正正好好相相矛矛盾盾。因因此此可可知知，微微悬悬臂臂刚刚度的选择和度的选择和AFM的测量模式有关。的测量模式有关。故故在在恒恒力力测测量量模模式式时时，测测出出的的试试件件廓廓形形高高低低,大大于于真真实实的的高高低低，即即测测量量结结果果在在垂垂直直方方向向有有放放大大作作用用，造成测量廓形的误差造成测量廓形的误差 273.探针尖曲率半径对测量结果的影响探针尖曲率半径对测量结果的影响 使使用用商商品品的的Si3N4四四棱棱锥锥探探针针尖尖检检测所获得的聚酰亚胺薄膜测所获得的聚酰亚胺薄膜AFM图像图像使用使用ZnO晶须作探针尖检测，所获晶须作探针尖检测，所获的聚酰亚胺薄膜的聚酰亚胺薄膜AFM图像图像284.试件表面廓形高低起伏不平对测量结果的影响 1)纯纯几几何何的的测测量量误误差差,即即针针尖尖和和试试件件表表面接触点改变，造成的测量误差。面接触点改变，造成的测量误差。2)针针尖尖试试件件间间的的横横向向作作用用力力,使使探探针针弯曲弯曲,造成测量误差。造成测量误差。3)针针尖尖试试件件间间作作用用力力和和距距离离变变化化的的非非线性，造成测量误差。线性，造成测量误差。l 纯几何的测量误差纯几何的测量误差293.6 AFM3.6 AFM的微悬臂和针尖的微悬臂和针尖1.对微悬臂和针尖性能的要求对微悬臂和针尖性能的要求 l 针针尖尖尖尖锐锐程程度度,直直接接决决定定AFM测测量量的的横横向向分分辨辨率率。理理想想针针尖尖的的尖尖端端是是单单原原子子，现现在在的的商商品品针针尖尖端端曲曲率率半半径径在在10050 nm，正正努努力力希希望望能能达达到到曲曲率率半半径径R=10 nm或更小。或更小。l 微微悬悬臂臂应应该该对对垂垂直直于于试试件件表表面面,作作用用于于针针尖尖的的Z向向微微弱弱力力极极为为敏敏感感，应应该该可以检测到几可以检测到几nN力的变化，因此微悬臂在力的变化，因此微悬臂在Z向的弹性系数向的弹性系数k必须很小。必须很小。l 在在扫扫描描过过程程中中,针针尖尖受受摩摩擦擦力力和和横横向向力力作作用用，因因此此要要求求悬悬臂臂有有很很高高的的横横向向刚度以减少测量误差。刚度以减少测量误差。l 微微悬悬臂臂的的自自振振频频率率须须足足够够高高，以以便便在在扫扫描描检检测测时时,针针尖尖能能跟跟踪踪试试件件表表面面的的起起伏伏。在在典典型型测测量量中中，扫扫描描时时轮轮廓廓起起伏伏信信号号的的频频率率可可以以达达到到几几kH,因因此此微微悬悬臂的固有频率必须高于臂的固有频率必须高于10 kHz,这样才能测出正确的试件表面微观形貌。这样才能测出正确的试件表面微观形貌。l 由由于于微微悬悬臂臂Z向向弹弹簧簧常常数数k很很小小，要要求求的的自自振振频频率率又又较较高高，这这决决定定了了微微悬悬臂臂的的尺尺寸寸（长长度度），必必须须很很小小，常常用用100m量量级级，质质量量也也必必须须很很小小，应应小小于于1 mg。302.微悬臂和针尖的结构形式微悬臂和针尖的结构形式 1)粘结针尖的矩形薄片微悬臂粘结针尖的矩形薄片微悬臂2)用金属丝制成的微悬臂和针尖用金属丝制成的微悬臂和针尖3)V形薄片微悬臂形薄片微悬臂4)带金字塔形针尖的一体化的带金字塔形针尖的一体化的V形薄片微悬臂形薄片微悬臂 V形薄片微悬臂形薄片微悬臂(C.Quate)(137 m100 m)31 a)玻璃基板带玻璃基板带4个微悬臂个微悬臂 b)单个带针尖的单个带针尖的V形微悬臂形微悬臂 c)金字塔形针尖金字塔形针尖 (1.75 mm1.30 mm)(142 m105 m)(4.2 m3.2 m)带金字塔形针尖的带金字塔形针尖的Si3N4一体化一体化V形薄片微悬臂形薄片微悬臂(C.Quate)325)带圆锥形针尖的一体化的带圆锥形针尖的一体化的V形薄片微悬臂形薄片微悬臂 带圆锥针尖带圆锥针尖V形形SiO2微悬臂制造过程微悬臂制造过程带带针针尖尖的的微微悬悬臂臂(50 m36 m)圆圆锥形针尖锥形针尖(6.25 m4.5 m)带带圆圆锥锥形形针针尖尖的的SiO2一一体体化化V形形薄薄片片微悬臂微悬臂(C.Quate)336)粘晶须针尖的微悬臂粘晶须针尖的微悬臂 晶须晶须气体源气体源1ma)晶须晶须 b)晶须生长晶须生长GaAs晶须及其沉积生长过程晶须及其沉积生长过程V形微悬臂上用环氧树脂粘形微悬臂上用环氧树脂粘ZnO晶须针尖晶须针尖347)碳纳米管针尖的微悬臂碳纳米管针尖的微悬臂 a)硅针尖加碳纳米管硅针尖加碳纳米管 b)局部放大局部放大 c)尖端放大尖端放大AFM的碳纳米管探针尖的碳纳米管探针尖(H.Dai)353.微悬臂的力学性能分析微悬臂的力学性能分析 1)对微悬臂的力学性能要求对微悬臂的力学性能要求 p 要求它能高灵敏度地检测出在针尖上的作用力，并将此作用力转化成能测要求它能高灵敏度地检测出在针尖上的作用力，并将此作用力转化成能测量的微悬臂形变或位置偏移。量的微悬臂形变或位置偏移。p 为使针尖扫描时能随迅速变化起伏的试件表面廓形上下，微悬臂必须有足为使针尖扫描时能随迅速变化起伏的试件表面廓形上下，微悬臂必须有足够高的自振频率。够高的自振频率。2)矩形薄片微悬臂的力学计算矩形薄片微悬臂的力学计算 lFzl悬臂梁自由端最大挠度悬臂梁自由端最大挠度z1 悬臂梁的弹性系数悬臂梁的弹性系数364)若干若干AFM的微悬臂的物理力学性能的微悬臂的物理力学性能 材料微悬臂形状微悬臂尺寸mm弹性模量E1010 N/m3质量密度g/cm3固有频率kHz弹性系数kN/m力灵敏度N/0.01nmNi圆柱细丝 0.254228.9225000W圆柱细丝 0.0553419.35105Au圆柱细丝 0.055819.3225Si2矩形薄片0.20.20.00252.6400.2Si3N4V形0.20.0360.003323.180.004炭纤维细丝在V形悬臂上 0.0050.2521.8140.5石英纤维细丝在V形悬臂上 0.0050.2572.2140.4373.7 AFM3.7 AFM针尖作用力和悬臂变形位移的测量针尖作用力和悬臂变形位移的测量 1.对检测针尖作用力和微悬臂位移变形量的要求对检测针尖作用力和微悬臂位移变形量的要求 u 通过测量受力后微悬臂的变形位移通过测量受力后微悬臂的变形位移,而获得作用力的变化信息；而获得作用力的变化信息；u 使使用用力力调调制制技技术术测测出出力力梯梯度度的的变变化化，因因为为梯梯度度变变化化使使调调制制信信的的频频率率和和相相位位产产生生变变化化，从从而而 获获得得作作用用力力的的变变化化信信息息。现现在在第第一一类类方方法法，因因测测量量操作要简单些，用得较多操作要简单些，用得较多；u 微微悬悬臂臂使使用用力力敏敏材材料料制制造造,微微悬悬臂臂受受力力后后变变形形产产生生电电阻阻变变化化，从从电电阻阻变变化量而测出微悬臂的受力变形量；化量而测出微悬臂的受力变形量；u 微微悬悬臂臂制制成成交交指指型型，针针尖尖受受力力微微悬悬臂臂变变形形偏偏转转，从从微微悬悬臂臂反反射射的的光光束束将将产产生生多多级级衍衍射射条条纹纹，从从而而测测出出微微悬悬臂臂的的受受力力变变形形量量。这这方方法法不不仅仅测测量量分辨率甚高，而且可以在分辨率甚高，而且可以在AFM采用多微悬臂平行阵列时的测量。采用多微悬臂平行阵列时的测量。2.隧道电流测量法检测针尖和微悬臂位移隧道电流测量法检测针尖和微悬臂位移 u 这测量方法的垂直分辨率甚高，达到这测量方法的垂直分辨率甚高，达到10-2 nm；u 影响因素较多。影响因素较多。383.电容测量法电容测量法 4.光干涉测量法光干涉测量法 1)悬悬臂臂和和针针尖尖可可以以允允许许一一定定程程度度的的污污染染，故故比比隧隧道电流检测法更可靠；道电流检测法更可靠；2)检检测测系系统统加加在在微微悬悬臂臂上上的的力力极极小小，可可以以忽忽略略不不计；计；3)由由于于光光束束直直径径较较大大，故故对对微微悬悬臂臂背背面面的的粗粗糙糙度度不甚敏感；不甚敏感；4)用用光光学学检检测测法法时时,允允许许微微悬悬臂臂有有较较大大的的形形变变位位移移（可可以以超超过过100 nm），而而隧隧道道电电流流法法检检测测时时，允允许的最大位移不到许的最大位移不到1 nm；5)对微悬臂材料无导电性能要求对微悬臂材料无导电性能要求;6)检测结果稳定可靠。检测结果稳定可靠。激光干涉测量法激光干涉测量法 395.激光反射测量法激光反射测量法 激光反射测量法测微悬臂形变位移激光反射测量法测微悬臂形变位移光电检测器光电检测器激光激光微悬臂微悬臂XY扫描工作台扫描工作台403.8 3.8 微悬臂的激振微悬臂的激振1.微悬臂需要激振的原因微悬臂需要激振的原因 2.双压电晶片振动驱动器双压电晶片振动驱动器 41不同/0比值时的微悬臂振幅 42存在存在FF 双压电晶片驱动微悬臂的振动双压电晶片驱动微悬臂的振动 43力梯度力梯度FF使微悬臂的共振产生变化使微悬臂的共振产生变化 44云母AFM图像45AFM图像图像-积层电路积层电路 46AFM图像图像-材料缺陷材料缺陷 471988 1988 年，年，Albrecht Albrecht 等人首次用它观测等人首次用它观测聚合物膜的表面，从此聚合物膜的表面，从此AFM AFM 为聚合物为聚合物膜的研究敞开了一扇崭新的大门。膜的研究敞开了一扇崭新的大门。48v分辨率能达到原子分辨水平；分辨率能达到原子分辨水平；v样品不需复杂的预处理，避免了由此所带来的测量误差；样品不需复杂的预处理，避免了由此所带来的测量误差；v对操作环境的要求较宽松，在空气或液体对操作环境的要求较宽松，在空气或液体(水、氯化钠溶液等水、氯化钠溶液等)中中 观测都可以；观测都可以；v操作力很小，能成功地观测软的物质表面。操作力很小，能成功地观测软的物质表面。AFM 聚合物膜研究中所表现的优点聚合物膜研究中所表现的优点图上亮点表示膜表面的最高点，暗点表示膜表面的凹陷或膜孔，这样膜的表面整体形态在图象上一目了然。图上亮点表示膜表面的最高点，暗点表示膜表面的凹陷或膜孔，这样膜的表面整体形态在图象上一目了然。49AFM在聚合物膜研究的应用现状在聚合物膜研究的应用现状1 表面整体形态研究表面整体形态研究2 孔径和孔径分布研究孔径和孔径分布研究3 粗糙度研究粗糙度研究4 膜污染研究膜污染研究501 表面整体形态研究表面整体形态研究51Fig.1.Section analysis of TM-AFM image.152Fig.2.Three-dimensional TM-AFM images of the PVDF membranes(W0,W3,W5,W7).不不同同水水含含量量5325455562 孔径和孔径分布研究孔径和孔径分布研究孔径和孔径分布是表征膜的重要参数孔径和孔径分布是表征膜的重要参数57Fig.2.Tapping mode atomic force micrographs of(a)(scan size:500 nm,scan rate:0.4268 Hz),and(b)outside(scan size:10m,scan rate:0.4002 Hz)with generally used silicon single-crystal probe and J-scanner,(c)APS-150 inside(scan size:500 nm,scan rate:0.3290 Hz)with highly sharpened silicon single-crystal probe and E-scanner having smaller maximum scan area and smaller maximum scan height,and(d)distribution of pore diameter determined by TMAFM.35859460613 粗糙度研究粗糙度研究粗糙度（粗糙度（Surface roughnessSurface roughness）表示膜表面形态间的差异，影表示膜表面形态间的差异，影响着膜的物理和化学性能、膜表面的污染程度和膜的水通量。响着膜的物理和化学性能、膜表面的污染程度和膜的水通量。625Fig.2.Atomic force micrographs of 0.20 pm microfiltration membranes:(a)nylon;(b)polysulfone;(c)poly(vinylidene)fluoride;(d)polyethersulfone.63646Fig.3.AFM images of modified NF-270 membranes of low(a),moderate(b)and heavy(c and d)modification.The average roughness(in nm)is:(a)1.3;(b)1.9;(c)9.9;(d)4.9.65膜污染是指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子，膜污染是指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子，由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附，沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产表面或膜孔内吸附，沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化生透过流量与分离特性的不可逆变化。4 膜污染研究膜污染研究66图图3 新膜表面三维图新膜表面三维图X 1m/格格;Z 50 nm/格格图图4 污染膜表面三维图污染膜表面三维图X 1m/格格;Z 2 000 nm/格格76768698Fig.1:105 ppm membrane,raw scan at 9.7 x 9.7 mm2;RMS roughness is 105 nm.Fig.2:104 ppm membrane,raw scan at 9.7 x 9.7 mm2;RMS roughness is 7.11 nm.70Fig.3:105 ppm membrane,raw scan at 9.7 x 9.7 mm2 and cross section of pits.Fig.4:104 ppm membrane,raw scan at 9.7 x 9.7 mm2 and cross section of pits.71二维纳米材料表征二维纳米材料表征硅衬底上沉积二硫化钼纳米片硅衬底上沉积二硫化钼纳米片72Bi12O17Cl2 and MoS2 单层异质结单层异质结73几种二维材料表征几种二维材料表征74MoSe2光学和原子力表征及其场效应晶体管器件光学和原子力表征及其场效应晶体管器件7576