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閱讀：3發(fā)布時(shí)間：2024-12-13
概念：原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope ，AFM），一種可用來(lái)研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。它通過(guò)檢測(cè)待測(cè)樣品表面和一個(gè)微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來(lái)研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。將一對(duì)微弱力敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時(shí)它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發(fā)生形變或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。掃描樣品時(shí)，利用傳感器檢測(cè)這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級(jí)分辨率獲得表面形貌結(jié)構(gòu)信息及表面粗糙度信息。
原理：原子力顯微鏡（atomic force microscope，簡(jiǎn)稱(chēng)AFM）利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細(xì)探針與受測(cè)樣品原子之間的作用力，從而達(dá)到檢測(cè)的目的，具有原子級(jí)的分辨率。由于原子力顯微鏡既可以觀察導(dǎo)體，也可以觀察非導(dǎo)體，從而彌補(bǔ)了掃描隧道顯微鏡的不足。原子力顯微鏡是由IBM公司蘇黎世研究中心的格爾德·賓寧于一九八五年所發(fā)明的，其目的是為了使非導(dǎo)體也可以采用類(lèi)似掃描探針顯微鏡（SPM）的觀測(cè)方法。原子力顯微鏡（AFM）與掃描隧道顯微鏡（STM）的差別在于并非利用電子隧穿效應(yīng)，而是檢測(cè)原子之間的接觸，原子鍵合，范德瓦耳斯力或卡西米爾效應(yīng)等來(lái)呈現(xiàn)樣品的表面特性。
組成：它主要由帶針尖的微懸臂、微懸臂運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置、監(jiān)控其運(yùn)動(dòng)的反饋回路、使樣品進(jìn)行掃描的壓電陶瓷掃描器件、計(jì)算機(jī)控制的圖像采集、顯示及處理系統(tǒng)組成。微懸臂運(yùn)動(dòng)可用如隧道電流檢測(cè)等電學(xué)方法或光束偏轉(zhuǎn)法、干涉法等光學(xué)方法檢測(cè)，當(dāng)針尖與樣品充分接近相互之間存在短程相互斥力時(shí)，檢測(cè)該斥力可獲得表面原子級(jí)分辨圖像，一般情況下分辨率也在納米級(jí)水平。AFM測(cè)量對(duì)樣品無(wú)特殊要求，可測(cè)量固體表面、吸附體系等。
優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)于掃描電子顯微鏡，原子力顯微鏡具有許多優(yōu)點(diǎn)。不同于電子顯微鏡只能提供二維圖像，AFM提供真正的三維表面圖。同時(shí)，AFM不需要對(duì)樣品的任何特殊處理，如鍍銅或碳，這種處理對(duì)樣品會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。第三，電子顯微鏡需要運(yùn)行在高真空條件下，原子力顯微鏡在常壓下甚至在液體環(huán)境下都可以良好工作。這樣可以用來(lái)研究生物宏觀分子，甚至活的生物組織。原子力顯微鏡與掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope）相比，由于能觀測(cè)非導(dǎo)電樣品，因此具有更為廣泛的適用性。當(dāng)前在科學(xué)研究和工業(yè)界廣泛使用的掃描力顯微鏡，其基礎(chǔ)就是原子力顯微鏡。
缺點(diǎn)：和掃描電子顯微鏡(SEM）相比，AFM的缺點(diǎn)在于成像范圍太小，速度慢，受探頭的影響太大。
結(jié)構(gòu)：在原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，AFM）的系統(tǒng)中，可分成三個(gè)部分：力檢測(cè)部分、位置檢測(cè)部分、反饋系統(tǒng)。
力檢測(cè)部分：在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，所要檢測(cè)的力是原子與原子之間的范德華力。所以在本系統(tǒng)中是使用微小懸臂（cantilever）來(lái)檢測(cè)原子之間力的變化量。微懸臂通常由一個(gè)一般100~500μm長(zhǎng)和大約500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微懸臂頂端有一個(gè)尖銳針尖，用來(lái)檢測(cè)樣品－針尖間的相互作用力。這微小懸臂有一定的規(guī)格，例如：長(zhǎng)度、寬度、彈性系數(shù)以及針尖的形狀，而這些規(guī)格的選擇是依照樣品的特性，以及操作模式的不同，而選擇不同類(lèi)型的探針。
位置檢測(cè)部分：在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，當(dāng)針尖與樣品之間有了交互作用之后，會(huì)使得懸臂cantilever擺動(dòng)，當(dāng)激光照射在微懸臂的末端時(shí)，其反射光的位置也會(huì)因?yàn)閼冶蹟[動(dòng)而有所改變，這就造成偏移量的產(chǎn)生。在整個(gè)系統(tǒng)中是依靠激光光斑位置檢測(cè)器將偏移量記錄下并轉(zhuǎn)換成電的信號(hào)，以供SPM控制器作信號(hào)處理。
反饋系統(tǒng)
在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，將信號(hào)經(jīng)由激光檢測(cè)器取入之后，在反饋系統(tǒng)中會(huì)將此信號(hào)當(dāng)作反饋信號(hào)，作為內(nèi)部的調(diào)整信號(hào)，并驅(qū)使通常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當(dāng)?shù)囊苿?dòng)，以保持樣品與針尖保持一定的作用力?？偨Y(jié)
AFM系統(tǒng)使用壓電陶瓷管制作的掃描器精確控制微小的掃描移動(dòng)。壓電陶瓷是一種性能奇特的材料，當(dāng)在壓電陶瓷對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)端面加上電壓時(shí)，壓電陶瓷會(huì)按特定的方向伸長(zhǎng)或縮短。而伸長(zhǎng)或縮短的尺寸與所加的電壓的大小成線性關(guān)系。即可以通過(guò)改變電壓來(lái)控制壓電陶瓷的微小伸縮。通常把三個(gè)分別代表X，Y，Z方向的壓電陶瓷塊組成三角架的形狀，通過(guò)控制X，Y方向伸縮達(dá)到驅(qū)動(dòng)探針在樣品表面掃描的目的；通過(guò)控制Z方向壓電陶瓷的伸縮達(dá)到控制探針與樣品之間距離的目的。
原子力顯微鏡（AFM）便是結(jié)合以上三個(gè)部分來(lái)將樣品的表面特性呈現(xiàn)出來(lái)的：在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，使用微小懸臂（cantilever）來(lái)感測(cè)針尖與樣品之間的相互作用，這作用力會(huì)使微懸臂擺動(dòng)，再利用激光將光照射在懸臂的末端，當(dāng)擺動(dòng)形成時(shí)，會(huì)使反射光的位置改變而造成偏移量，此時(shí)激光檢測(cè)器會(huì)記錄此偏移量，也會(huì)把此時(shí)的信號(hào)給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，最后再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現(xiàn)出來(lái)。
工作模式：原子力顯微鏡的工作模式是以針尖與樣品之間的作用力的形式來(lái)分類(lèi)的。主要有以下3種操作模式：接觸模式（contact mode) ，非接觸模式（ non - contact mode) 和敲擊模式( tapping mode）。
接觸模式
從概念上來(lái)理解，接觸模式是AFM最直接的成像模式。AFM 在整個(gè)掃描成像過(guò)程之中，探針針尖始終與樣品表面保持緊密的接觸，而相互作用力是排斥力。掃描時(shí)，懸臂施加在針尖上的力有可能破壞試樣的表面結(jié)構(gòu)，因此力的大小范圍在10 - 10～10 - 6 N。若樣品表面柔嫩而不能承受這樣的力，便不宜選用接觸模式對(duì)樣品表面進(jìn)行成像。
非接觸模式
非接觸模式探測(cè)試樣表面時(shí)懸臂在距離試樣表面上方5～10 nm 的距離處振蕩。這時(shí)，樣品與針尖之間的相互作用由范德華力控制，通常為10 - 12 N ，樣品不會(huì)被破壞，而且針尖也不會(huì)被污染，特別適合于研究柔嫩物體的表面。這種操作模式的不利之處在于要在室溫大氣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)這種模式十分困難。因?yàn)闃悠繁砻娌豢杀苊獾貢?huì)積聚薄薄的一層水，它會(huì)在樣品與針尖之間搭起一小小的毛細(xì)橋，將針尖與表面吸在一起，從而增加對(duì)表面的壓力。
敲擊模式
敲擊模式介于接觸模式和非接觸模式之間，是一個(gè)雜化的概念。懸臂在試樣表面上方以其共振頻率振蕩，針尖僅僅是周期性地短暫地接觸/ 敲擊樣品表面。這就意味著針尖接觸樣品時(shí)所產(chǎn)生的側(cè)向力被明顯地減小了。因此當(dāng)檢測(cè)柔嫩的樣品時(shí)，AFM的敲擊模式是選擇之一。一旦AFM開(kāi)始對(duì)樣品進(jìn)行成像掃描，裝置隨即將有關(guān)數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰頂之間的距離等，用于物體表面分析。同時(shí)，AFM 還可以完成力的測(cè)量工作，測(cè)量懸臂的彎曲程度來(lái)確定針尖與樣品之間的作用力大小。
三種模式的比較
接觸模式（Contact Mode）：
優(yōu)點(diǎn)：掃描速度快，是能夠獲得“原子分辨率”圖像的AFM垂直方向上有明顯變化的質(zhì)硬樣品，有時(shí)更適于用Contact Mode掃描成像。
缺點(diǎn)：橫向力影響圖像質(zhì)量。在空氣中，因?yàn)闃悠繁砻嫖揭簩拥拿?xì)作用，使針尖與樣品之間的粘著力很大。橫向力與粘著力的合力導(dǎo)致圖像空間分辨率降低，而且針尖刮擦樣品會(huì)損壞軟質(zhì)樣品（如生物樣品，聚合體等）。
非接觸模式：
優(yōu)點(diǎn)：沒(méi)有力作用于樣品表面。
缺點(diǎn)：由于針尖與樣品分離，橫向分辨率低；為了避免接觸吸附層而導(dǎo)致針尖膠粘，其掃描速度低于Tapping Mode和Contact Mode AFM。通常僅用于非常怕水的樣品，吸附液層必須薄，如果太厚，針尖會(huì)陷入液層，引起反饋不穩(wěn)，刮擦樣品。由于上述缺點(diǎn)，on-contact Mode的使用受到限制。
輕敲模式：
優(yōu)點(diǎn)：很好的消除了橫向力的影響。降低了由吸附液層引起的力，圖像分辨率高，適于觀測(cè)軟、易碎、或膠粘性樣品，不會(huì)損傷其表面。
缺點(diǎn)：比Contact Mode AFM 的掃描速度慢。
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