原子力显微镜AFM课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Robotics Institute of Harbin Institute of Technology,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Robotics Institute of Harbin Institute of Technology,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Robotics Institute of Harbin Institute of Technology,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Robotics Institute of Harbin Institute of Technology,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Robotics Institute of Harbin Institute of Technology,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Robotics Institute of Harbin Institute of Technology,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Robotics Institute of Harbin Institute of Technology,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Robotics Institute of Harbin Institute of Technology,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Robotics Institute of Harbin Institute of Technology,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Robotics Institute of Harbin Institute of Technology,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Robotics Institute of Harbin Institute of Technology,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,原子力显微镜,Atomic force microscopy,，,AFM,王 景 风,原子力显微镜王 景 风,目 录,1.,概述,2.,AFM,的工作,原理及工作模式,3.,应用及实例解释,目 录 1.概述,1.,概 述,显微技术是人们认识材料微观结构的重要途径，其发展历程是从,光学显微镜,电子显微镜,扫描探针技术,。这也使得人们对于微观世界的认识越来越深入，从微米级、亚微米级发展到纳米级乃至原子级分辨率。,原子力显微镜（,atomic force microscopy,，,AFM,）,就是近代发展起来的扫描探针显微镜,(,scanning probe microscopy,，,SPM,),家族中应用最为广泛的一员。,1.1,扫描探针显微镜,1.概 述 显微技术是人们认识材料微观结构的重要途,扫描探针显微镜,(SPM),：,使用一个尖锐的探针在样品表面扫描，在扫描过程中记录探针与样品的相互作用，从而得到样品的表面信息。,成像原理,适用样品,分辨率,扫描隧道显微镜,Scanning tunneling microscope,STM,隧道电流,导体或半导体材料,横向分辨率,0.1nm;,垂直方向分辨率,0.01nm,原子力显微镜,Atomic force microscopy,，,AFM,针尖与试样之间的相互作用力,导体、半导体、绝缘材料,横向分辨率,纳米级；,垂直方向分辨率,0.1nm,表,1.1 STM,与,AFM,的比较,扫描探针显微镜(SPM)：成像原理适用样品分辨率扫描隧道显,指 标,AFM,TEM,SEM,空间分辨率,原子级,0.1nm,点分辨率,0.30.5nm,36nm,试样环境,大气环境、液相、真空,高真空,高真空,图像形式,二维、三维图像,二维图像,二维图像,试样损伤,几乎无,对电子束敏感物质有损伤,对电子束敏感物质有损伤,力学性质,局部微区力学,性能,无,无,表,1.2 AFM,、,TEM,和,SEM,的主要性能指标,指 标AFMTEMSEM空间分辨率原子级0.1nm点分辨率0,1.2 AFM,主要功能,高空间分辨率描述物质表面微观结构；,能够用于表征固体物质表面局部微小区域的力学和物理性质，例如定量测定粗糙度、弹性模量、硬度、黏弹性质等；,原子分子搬迁，应用,AFM,针尖在纳米尺寸对材料表面作微机械加工、表面改性或改变大分子取向和信息技术中的高密度存储技术等。,1.2 AFM主要功能 高空间分辨率描述物质表面微观结,2.AFM,的工作原理及工作模式,2.1 AFM,的结构和工作原理,图,2.1 AFM,的结构和原理简图,作用力,F,与形变,z,之间的关系：,F=,k,z,k,:,微悬臂的弹性常数,z,：微悬臂发生的微小弹性变形,2.AFM的工作原理及工作模式2.1 AFM的结构和工作,微悬臂微小形变的大小的检测方法有：,光学检测法,电容检测法,压敏电阻检测法等,图,2.2,光束偏转检测型,AFM,仪器结构与工作原理简图,微悬臂微小形变的大小的检测方法有：图2.2 光束偏转检测型A,2.2 AFM,的工作模式,原子间范德华力,图,2.3,各种工作模式在针尖,-,试样力曲线中所处的范围,2.2 AFM的工作模式原子间范德华力图2.3 各种工作模,2.2.1,接触模式,图,2.4,接触模式工作原理,探针接触样品表面，发生形变，向上弯曲；,接收器,Up-Down,信号发生改变；,反馈系统通过,Vz,控制扫描器的伸缩，使,Up-Down,信号维持恒定；,记录在每个扫描点,(x,y),的伸缩电压,V(x,y),；,通过,V(x,y),，即可计算出样品的表面形貌,T(x,y),；,2.2.1 接触模式图2.4 接触模式工作原理 探针接触样,a.,高度像,b.,偏差像,成像信号是针尖,-,试样的真实垂直方向力与操作者选定力大小之间的差值。,a,b,图,2.5 Si,片,ALD 100nm ZnO,的,AFM,图。,a.,高度像；,b,.,偏差像,a.高度像b.偏差像 成像信号是针尖-试样的真实垂,c.,侧向力像,图,2.6,接触模式测定悬臂扭转的示意图,它反映了试样个局部区域不同的力学和粘结性质，因而可以表征试样各区域的,不同组分,。,图,2.7,云母片上相分离磷脂,-,蛋白质层的高度像（,a,）和侧向力像（,b,）,c.侧向力像图2.6 接触模式测定悬臂扭转的示意图,2.2.2,轻敲模式,系统产生振动信号，使其处于共振状态而上下振荡；,探针逼近样品后，样品表面起伏引起振幅发生变化；,反馈系统通过,Vz,控制扫描器的伸缩，使振幅信号维持恒定；,记录在每个扫描点,(x,y),的伸缩电压,V(x,y),；,通过,V(x,y),，即可计算出样品的表面形貌,T(x,y),；,图,2.8,轻敲模式原理图,2.2.2 轻敲模式 系统产生振动信号，使其处于共振状态而,a.,高度像,b.,相位像,图,2.7,相位成像原理示意图,其是通过检测驱动微悬臂,振动的信号与微悬臂实际振动的相位角之差的变化来成像。,a.高度像b.相位像图2.7 相位成像原理示意图,(a),(b),图,2.8,一种有机薄膜的高度像（,a,）与相位像（,b,）,相位像对不同颗粒及其边界具有更强的反差，并可在纳米尺度上提供试样表面组分、摩擦、黏弹性及其他性质的分析。,(a)(b)图2.8 一种有机薄膜的高度像（a）与相位像（,接触模式,轻敲模式,扫描速度,可以达到更高的扫描速度,较低,横向剪切力,有,无,样品表面水层对扫描的影响,有,小,针尖力大小,5500nN,0.11nN,软样品,不适用,吸附样品,不适用,表面不稳定的样品,不适用,表,2.1,接触模式与轻敲模式的比较,接触模式轻敲模式扫描速度可以达到更高的扫描速度较低横向剪切力,2.2.3,非接触模式,这种模式控制在试样表面,上方,520nm,距离处,扫描，利用针尖,-,试样之间的相互微弱的,长程力,（范德华吸引力）引起微悬臂固有振动频率峰值的偏移，以此为回馈信号成像。,然而，这种模式下：,需要高灵敏度的探针；,得到的图像分辨率低；,针尖也容易被表面吸附气体的表面压吸附到试样表面，引起图像数据的不稳定和对试样的损伤。,2.2.3 非接触模式 这种模式控制在试样表面上,3.,应用及实例解释,（,1,）高度分析,图,3.1,石墨烯片的,AFM,图，片层厚度,0.975nm,3.应用及实例解释（1）高度分析图3.1 石墨烯片的AF,（,2,）粒径（分布）分析,图,3.2 CNT,生长基底的,AFM,图。,a.,高度像；,b.,相位像；,c.,粒度分析报告，平均粒度大小为,27.98nm,b,a,c,（2）粒径（分布）分析图3.2 CNT生长基底的AFM图。,（,3,）粗糙度分析,图,3.3 ZnO,薄膜的粗糙度分析报告,（3）粗糙度分析图3.3 ZnO薄膜的粗糙度分析报告,系统可以对图像进行自相关分析。相关运算用于比较两个图像的相似程度。自相关分析常用于分析带有周期性结构的图像，可以帮助寻找图像中的重复性结构。,（,4,）自相关分析,a,b,图,3.4,某周期性结构表面的图像（,a,）和经自相关分析后的图像（,b,）,系统可以对图像进行自相关分析。相关运算用于比较两,图,3.5,原位,AFM,研究的拉抻台装置（,a,）和试样位置（,b,）,（,5,）原位,AFM,的研究,图3.5 原位AFM研究的拉抻台装置（a）和试样位置（b）,（,6,）针尖增强拉曼,图,3.6,针尖增强拉曼原理图,（6）针尖增强拉曼图3.6 针尖增强拉曼原理图,受样品因素限制较大（不可避免）,针尖易磨钝,&,受污染（磨损无法修复；污染清洗困难）,针尖,样品间作用力较小,AFM,的缺点,受样品因素限制较大（不可避免）AFM的缺点,谢谢！,The End,谢谢！The End,