原子力显微镜简介.pdf

1原子力显微镜简介原子力显微镜简介原子力显微镜简介原子力显微镜简介杨杨杨杨 延延延延 莲莲莲莲国家纳米科学中心国家纳米科学中心国家纳米科学中心国家纳米科学中心2007.3.302007.3.301.原子力显微镜的发展历史原子力显微镜的发展历史2.原子力显微镜的基本原理原子力显微镜的基本原理3.原子力显微镜的要素原子力显微镜的要素4.原子力显微镜的操作模式原子力显微镜的操作模式5.原子力显微镜的针尖卷积效应与图像假像原子力显微镜的针尖卷积效应与图像假像6.原子力显微镜的应用进展原子力显微镜的应用进展 三维扫描控制三维扫描控制 控制电路控制电路 振荡隔离系统振荡隔离系统 微悬臂形变检测方法微悬臂形变检测方法 微悬臂的设计思想及制作方法微悬臂的设计思想及制作方法 基本成像模式基本成像模式 派生成像模式派生成像模式 谱学模式谱学模式原子力显微镜的发展历史原子力显微镜的发展历史mmmnm10-910-610-3m肉眼可见光学显微镜扫描电镜肉眼可见光学显微镜扫描电镜扫描探针显微镜扫描探针显微镜扫描扫描I扫描扫描IZI一次扫描扫描示意图一次扫描扫描示意图扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM)的发明和原理的发明和原理1982年，年，IBM苏黎世实验室的苏黎世实验室的G.Binnig博士和博士和H.Rohrer博士及其同事们发明了博士及其同事们发明了STM氙原子在镍(110)表面排成的最小IBM商标氙原子在镍(110)表面排成的最小IBM商标铜(111)表面上的铁原子量子围栏铜(111)表面上的铁原子量子围栏搬走原子写“中国”搬走原子写“中国”铂表面上一氧化碳分子排成的“纳米人”铁原子在铜(111)表面排成的汉字铂表面上一氧化碳分子排成的“纳米人”铁原子在铜(111)表面排成的汉字2原子力显微镜原子力显微镜(AFM)的发明的发明由于由于STM是利用隧道电流进行表面形貌及表面电子结构性质的研究，所以只能直接对是利用隧道电流进行表面形貌及表面电子结构性质的研究，所以只能直接对导体和半导体样品导体和半导体样品进行研究，不能用来直接观察和研究进行研究，不能用来直接观察和研究绝缘体样品绝缘体样品和有和有较厚氧化层较厚氧化层的样品。的样品。?1986年年Binnig、Quate和和Gerber发明了第一台原子力显微镜发明了第一台原子力显微镜?1987年年Quate等人获得了高定向热解石墨（等人获得了高定向热解石墨（HOPG）的高分辨原子图像）的高分辨原子图像?1987年，年，Quate等人获得了高定向热解氮化硼（等人获得了高定向热解氮化硼（HOPBN）表面的高分辨原子图像，其中）表面的高分辨原子图像，其中HOPBN是第一个用是第一个用AFM获得原子分辨图像的绝缘体。获得原子分辨图像的绝缘体。摩擦力显微镜（摩擦力显微镜（FFM）磁力显微镜（）磁力显微镜（MFM）导电）导电AFM（CAFM）静电力显微镜（）静电力显微镜（EFM）表面电势成像（）表面电势成像（SP imaging）扫描电化学显微镜（）扫描电化学显微镜（SECM）扫描电容显微镜（）扫描电容显微镜（SCM）扫描热显微镜（）扫描热显微镜（SThM）这些新型的显微镜，都利用了反馈回路通过针尖和样品的某种作用（光、电、热、磁、力等）来控制针尖在距表面一定距离处扫描，从而获得表面的各种信息。这些新型的显微镜，都利用了反馈回路通过针尖和样品的某种作用（光、电、热、磁、力等）来控制针尖在距表面一定距离处扫描，从而获得表面的各种信息。原子力显微镜的派生功能原子力显微镜的派生功能原子力显微镜的基本原理原子力显微镜的基本原理在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间的相互作用力，来研究待测物表面的形貌和物理化学特性。在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间的相互作用力，来研究待测物表面的形貌和物理化学特性。AFM利用的基本原理利用的基本原理有几种典型的相互作用力可以作为有几种典型的相互作用力可以作为AFM的检测信号：的检测信号：范德华力范德华力，静电力、磁力等，静电力、磁力等间歇接触间歇接触恒力扫描恒力扫描恒高扫描恒高扫描ZF扫描示意图扫描示意图恒力和恒高扫描成像恒力和恒高扫描成像XZYXZY计算机和反馈控制计算机和反馈控制显示器显示器针尖与微悬臂针尖与微悬臂激光检测器样品压电陶瓷扫描管激光检测器样品压电陶瓷扫描管原子力显微镜的工作原理原子力显微镜的工作原理针尖和样品之间的力针尖和样品之间的力F与微悬臂的形变与微悬臂的形变zFkz3原子力显微镜的要素原子力显微镜的要素所谓所谓压电效应压电效应是指某些晶体材料在受到机械力作用发生形变时，会产生电场，或给晶体加一电场时，会产生物理形变的现象。是指某些晶体材料在受到机械力作用发生形变时，会产生电场，或给晶体加一电场时，会产生物理形变的现象。PZT压电陶瓷能简单地将压电陶瓷能简单地将1mV1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到数微米的机械位移，完全满足的电压信号转换成十几分之一纳米到数微米的机械位移，完全满足SPM三维扫描控制精度的要求三维扫描控制精度的要求三维扫描控制三维扫描控制压电三脚架压电陶瓷管压电三脚架压电陶瓷管双层压电晶片驱动的三脚架结构微加工的压电驱动器，可进行纵向、横向、垂直弯曲及扭转运动双层压电晶片驱动的三脚架结构微加工的压电驱动器，可进行纵向、横向、垂直弯曲及扭转运动控制电路控制电路接触模式非接触模式间歇接触模式接触模式非接触模式间歇接触模式振动隔离系统振动隔离系统提高仪器的提高仪器的固有振动频率固有振动频率和使用和使用振动阻尼系统振动阻尼系统振动源振动源：建筑物振动（建筑物振动（10100Hz）通风管道、变压器和马达（）通风管道、变压器和马达（665Hz）人走动（）人走动（13Hz）声音等）声音等AFM刚性的结构设计刚性的结构设计:尽可能高的共振频率尽可能高的共振频率fs。刚性越大，对外部减震系统的要求就越低，因为由刚体的固有结构阻尼产生的滞后损失可以有效地散逸外界振动。刚性越大，对外部减震系统的要求就越低，因为由刚体的固有结构阻尼产生的滞后损失可以有效地散逸外界振动。振动隔离系统振动隔离系统:固有频率越低，振动隔离效果越好。固有频率越低，振动隔离效果越好。减震系统的设计：减震系统的设计：1100Hz之间的振动之间的振动弹簧弹簧-阻尼系统阻尼系统平板弹性体堆垛系统平板弹性体堆垛系统充气平台充气平台微悬臂形变检测方法微悬臂形变检测方法针尖和样品之间的力F与微悬臂的形变zFkz，其中，k为微悬臂的力常数1.隧道电流检测法隧道电流检测法2.电容检测法电容检测法3.光学干涉法光学干涉法4.光束偏转法光束偏转法自由排斥吸引原理和技术简单，精度也较高，适用范围广高较高，原理和技术简单，精度也较高，适用范围广高较高，z向向0.003nm光束偏转法灵敏度和信噪比都高，设备复杂抗噪音水平低针尖的污染，热振动、热漂移低高，光束偏转法灵敏度和信噪比都高，设备复杂抗噪音水平低针尖的污染，热振动、热漂移低高，Z向向0.01nm隧道电流高高，隧道电流高高，z向向0.001nm光学干涉法低高，光学干涉法低高，Z向向0.01nm电容法信噪比分辨率电容法信噪比分辨率微悬臂的设计微悬臂的设计-分辨率和噪音水平分辨率和噪音水平很小的很小的力常数力常数一般为一般为0.01100 N/m 微悬臂变形量的检测灵敏度可以达到微悬臂变形量的检测灵敏度可以达到nm量级，这样针尖与样品之间零点几个纳牛顿（量级，这样针尖与样品之间零点几个纳牛顿（nN）作用力的变化就可以被检测到）作用力的变化就可以被检测到共振频率共振频率必须足够高，减小振动和声波的干扰必须足够高，减小振动和声波的干扰(10kHz)微悬臂的长度要短，质量要小，以满足低微悬臂的长度要短，质量要小，以满足低力常数和高共振频率力常数和高共振频率的要求的要求微悬臂要有较高的微悬臂要有较高的横向刚性横向刚性非固定端带有一个纵横比较高的非固定端带有一个纵横比较高的尖锐针尖尖锐针尖光学偏转法检测微悬臂位移的仪器，要求微悬臂的背面有平滑的光学偏转法检测微悬臂位移的仪器，要求微悬臂的背面有平滑的光学反射面光学反射面SLEIf42314.0=33LEIk=2257.957.9MfLSfk=4微悬臂的制作微悬臂的制作各种微悬臂各种微悬臂SPM仪器的结构仪器的结构原子力显微镜的操作模式原子力显微镜的操作模式?接触式原子力显微镜（接触式原子力显微镜（contact AFM）：利用原子斥力的变化而产生表面轮廓。）：利用原子斥力的变化而产生表面轮廓。?非接触式原子力显微镜（非接触式原子力显微镜（non-contact AFM）：利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓。）：利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓。?间歇接触模式原子力显微镜（间歇接触模式原子力显微镜（Intermittent-ContactAFM）：是接触与非接触两种模式的混合。）：是接触与非接触两种模式的混合。AFM的分类的分类原子力显微镜的常见的几种操作模式原子力显微镜的常见的几种操作模式?接触式接触式AFM可能获得原子分辨图像。可能获得原子分辨图像。?由于表面摩擦和粘滞可能会有假象。由于表面摩擦和粘滞可能会有假象。?可能会使表面变形，针尖容易磨损钝化。可能会使表面变形，针尖容易磨损钝化。?非接触式非接触式AFM一般是频率调制或者是相位调制，分辨率更高。一般是频率调制或者是相位调制，分辨率更高。?操作复杂，环境噪声干扰大，一般在真空中能够实现。操作复杂，环境噪声干扰大，一般在真空中能够实现。?间歇接触模式间歇接触模式AFM，可对软样品成像，由剪切力引起的分辨率的降低和对样品的破坏几乎消失。，可对软样品成像，由剪切力引起的分辨率的降低和对样品的破坏几乎消失。?克服了室温大气环境下大多数样品表面上薄液层 的粘滞克服了室温大气环境下大多数样品表面上薄液层 的粘滞（Tapping，Dynamic AFM，MAC mode，Noncontact mode）5间歇接触式原子力显微镜间歇接触式原子力显微镜自由振荡表面接触振幅，频率，相位，微悬臂的偏转自由振荡表面接触振幅，频率，相位，微悬臂的偏转如组分、粘滞力、摩擦力、粘弹性、电、磁等性质的信息如组分、粘滞力、摩擦力、粘弹性、电、磁等性质的信息相位成像相位成像短程的相互作用包括粘滞力和摩擦力长程的相互作用包括电场力和磁场力。相位敏感短程的相互作用包括粘滞力和摩擦力长程的相互作用包括电场力和磁场力。相位敏感J.P.Rabe,Adv.Mater.1998,10,793.静电力显微镜成像静电力显微镜成像探测样品的表面电荷，表面电势，界面电势分布、器件失效分析等探测样品的表面电荷，表面电势，界面电势分布、器件失效分析等Paul L.McEuen,PRL,2000,84,6082磁力显微镜成像磁力显微镜成像hh抬高扫描轨迹主扫描轨迹抬高扫描轨迹主扫描轨迹磁盘摩擦力显微镜摩擦力显微镜样品平面内纳米尺度的各向异性特征也可以与纵向的磁力、静电力等表征结合互相补充样品平面内纳米尺度的各向异性特征也可以与纵向的磁力、静电力等表征结合互相补充原子力显微镜的动态横向力模式原子力显微镜的动态横向力模式TRmodeLM-FFM6力曲线的测量力曲线的测量1256Z Displacement24533TouchingAdhesionNontouching64Deflection接触形变问题力常数测定问题接触形变问题力常数测定问题接触形变接触形变接触形变理论接触形变理论（1）Hertz理论（1）Hertz理论假设：假设：1）短程表面（粘附）力存在，但只作用于接触面积处。）短程表面（粘附）力存在，但只作用于接触面积处。2）允许局域变形）允许局域变形/neck的形成。的形成。）（2）JKRS模型（Johnson-Kendall-Roberts-Sperling model）（2）JKRS模型（Johnson-Kendall-Roberts-Sperling model）（3）DMT模型（Derjaguin-Muller-Toporov model）（3）DMT模型（Derjaguin-Muller-Toporov model）假设：假设：1）表面力存在，并可波及接触面积之外的有限区域）表面力存在，并可波及接触面积之外的有限区域2）属于）属于Hertzian形变，在界面处不形成形变，在界面处不形成neck。AFM微悬臂力常数（k）的测定AFM微悬臂力常数（k）的测定Hooke定律：定律：F=k z334LEbtk=E为微悬臂的杨氏模量，b为微悬臂的宽度，t为微悬臂的厚度，L为微悬臂的长度 三角微悬臂近似为两根平行的长方形梁12几何尺寸计算法几何尺寸计算法*mMk+=共振频率测定法共振频率测定法M为微悬臂本身的固有质量，m*为固定于微悬臂顶端的胶粒的重量7AFM微悬臂力常数（k）的测定AFM微悬臂力常数（k）的测定2202212qmmpH+=q为谐振子偏离平衡位置的位移，p为谐振子的动量，m为谐振子的等效质量，为谐振子的共振角频率4热噪声谱热噪声谱在温度为T时，TkqmwB2121220=一谐振子，弹性常数k和共振频率满足k=m022qTkkB=20Z3偏移平衡位移偏移平衡位移每次针尖与样品接触时，成键分子数可能不同，因此测得的力并不一定相同。每次针尖与样品接触时，成键分子数可能不同，因此测得的力并不一定相同。D eflection/nmCount-505101520253035400510152025高 斯 统 计高 斯 统 计Adhesion Force力滴定曲线粘附力的高斯统计。取最可几值。力滴定曲线粘附力的高斯统计。取最可几值。利用针尖化学方法研究各种相互作用利用针尖化学方法研究各种相互作用利用针尖化学方法研究各种相互作用利用针尖化学方法研究各种相互作用范德华力、双电层力、氢键、化学键、配受体作用、DNA双螺旋的互补作用、细胞间的粘附力等。范德华力、双电层力、氢键、化学键、配受体作用、DNA双螺旋的互补作用、细胞间的粘附力等。键能、结合能测定键能、结合能测定分子识别生物体系中的相互作用蛋白质变性分子识别生物体系中的相互作用蛋白质变性原子力显微镜的针尖卷积效应与图像假像原子力显微镜的针尖卷积效应与图像假像W/2RHW/2RH硬球几何模型硬球几何模型针尖去卷积针尖去卷积AFM横向分辨率：针尖形状，像素数横向分辨率：针尖形状，像素数8AFM图像的假像AFM图像的假像针尖污染多针尖扫描管非线形针尖不能跟踪表面针尖污染多针尖扫描管非线形针尖不能跟踪表面原子力显微镜的应用进展原子力显微镜的应用进展SiHOPGFranz J.Giessibl,PNAS 2003,100,12539Franz J.Giessibl,Science,2000,289,422FM-AFM的原子和亚原子分辨的原子和亚原子分辨KClYamada,APL 2005In AM-AFM,detection signalA.both conservative and dissipative interaction forces,topographic artifacts.The time response of A becomes slower with increasing Q factor.In FM-AFM,detection signalfthe time response of f is not influenced by the Q factor.capable of measuring the conservative and dissipative interaction forces independently.A stable self excitation requires a clean cantilever deflection signal and,hence,can be disrupted by the occasional tip crash or adhesion.In PM-AFM,detection signalfStable imaging even with the occasional tip crash or adhesion to the surface.time response is not influenced by the Q FactorCapability of imaging atomic-scale features of mica in water.Rev.Sci.Instru，2006，77，123703相位调制相位调制AFMMica in WaterAFM of bacterial surface layersAFM image of the S-layer of Bacillus sphaericus CCM2177 imaged in contact mode under water.The center-to-center spacing of the morphological units is 13.1nm.9单分子力谱单分子力谱Gaub，Science paperAu-Pd合金上刻写的世界上最小的唐诗（合金上刻写的世界上最小的唐诗（10 m 10 m）-AFM机械刻蚀技术机械刻蚀技术硅（硅（111）面上的氧化硅纳米柱阵列）面上的氧化硅纳米柱阵列AFM纳米氧化刻蚀技术纳米氧化刻蚀技术石墨上的金纳米点阵列（石墨上的金纳米点阵列（2 m 2 m）-AFM场致蒸发技术场致蒸发技术Si表面氧化加工表面氧化加工DipPen纳米加工技术DipPen纳米加工技术Millipede多探针AFM多探针AFMAFM刻蚀与加工AFM刻蚀与加工AFM机械、热、电磁加工机械、热、电磁加工AFM操纵AFM操纵10Cui et al.,Science,2001,294,571导电AFM在分子电子学中的应用导电AFM在分子电子学中的应用1.Binnig,G.;Quate,C.F.;Gerber,C.Phys.Rev.Lett.1986,56,930.2.Binnig,G.;Gerber,C.;Stoll,E.;Albrecht,T.R.;Quate,C.F.Europhys.Lett.1987,3,1281.3.Albrecht,T.R.;Quate,C.F.J.Appl.Phys.1987,62,2599.4.F.J.Giessibl Rev.Mod.Phys.,2003 75,9495.Garcia R.,Perez R.Surf.Sci.Report,2002,47,1976.扫描隧道显微学引论，陈成钧著，华中一，朱昂如，金晓峰译，1996，中国轻工业出版社，北京.7.扫描隧道显微术及其应用，白春礼编著，1994，上海科学技术出版社，上海.8.扫描力显微术，白春礼，田芳，罗克著，2000，科学出版社，北京.9.纳米材料分析，黄惠忠等编著，2003，化学工业出版社，北京.10.Single Molecule Chemistry and Physics:An Introduction，王琛，白春礼著，2006，Springer,Berlin.参考文献和书目参考文献和书目谢谢！谢谢！