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原子力显微镜公开了解到熟悉必须掌握的知识点

2020.7.14

  一、原子力显微镜的概述

  原子力显微镜(Atomic Force Microscope ,AFM),一种可用来研究包括导体、半导体和绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它的横向分辨率可达0.15m,而纵向分辨率可达0.05m,AFM最大的特点是可以测量表面原子之间的力,AFM可测量的最小力的量级为10-14 -10-16 N。AFM还可以测量表面的弹性,塑性、硬度、黏着力等性质 ,AFM还可以在真空,大气或溶液下工作,也具有仪器结构简单的特点,在材料研究中获得了广泛的研究。

  它与其他显微镜相比有明显不同,它用一个微小的探针来”摸索”微观世界,AFM超越了光和电子波长对显微镜分辨率的限制,在立体三维上观察物质的形貌,并能获得探与样品相互作用的信息,典型AFM的侧向分辨率(x,y)可达到2nm,垂直分辩牢(方间)小于0。1mmAFM具有操作客易、样品准备简单、操作环境不受限制、分辨率高等优点。

  二、原子力显微镜的理论基础

  当探针尖和试件表面的距离缩小到纳米数量级时,探针尖端原子和试件表面原子间的相互作用力就显示出来,由于原子间距离缩小产生相互作用,造成原子间的高度势垒降低,使系统的总能量降低,于是二者之间产生吸引力(范德华力),如果两原子间距离继续减小接近到原子直径量级时,由于两原子间的电子云的不相容性,两原子间的相互作用为排斥力(库仑力),原子力显微镜就是通过检测探针尖和试件表面原子间的相互作用力而进行测量的。

  三、原子力显微镜的基本原理

  图一是原子力显微镜的仪器构成图。AFM中为检测出表面力而精细加工的感知杠杆使用了一端支撑的微小弹簧板。在感知杠杆的尖端有半径几十纳米、非常尖的小探针,感知杠杆从试件表面受到探针的作用力变形。感知杠杆的弹性系数K一般为已知,通过用隧道电流或激光束偏移,来检测感知杠杆在Z方向上的微小位移△Z,可知作用在探针一表面之的局力(F=K△Z)。一边测定该力,一边对试样进行机械的二维扫描,就能得到试样表面力的二维像。为保持力的信号稳定,一边控制试样Z方向的位置,一边扫描试样,记录各点的移动量,就可以得到三维的精细形貌像。

  针尖和样品之间的作用力与距离有强烈的依赖关系,所以在扫描过程中利用反馈回路保持针尖和样品之间的作用力恒定,即保持微悬臂的形变量不变,针尖就会随表面的起伏上下移动,记录针尖上下运动的轨迹即可得到表面形貌的信息。这种检测方法被称为”恒力”模式,是使用最广泛的扫描方式。

  AFM图像也可以使用“恒高”模式获得,也就是在x、y扫描过程中 ,不使用反馈回路,保持针尖与样品之间的距离恒定,检测器直接测量微悬臂z方向的形变量来成像。这种方法由于不使用反馈回路,可以采用更高的扫描速度,通常在观察原子、分子像时使用得比较多,而对于表面起伏较大的样品不适合。

  四、原子力显微镜的工作环境

  原子力显微镜受工作环境限制较少,它可以在超高真空、气相、液相和电化学的环境下操作。

  1)真空环境:最早的扫描隧道显微镜(STA)研究是在超高真空下进行操作的。后来,随着AFM的出现,人们开始使用真空AFM研究固体表面。真空AFM避免了大气中杂质和水膜的干扰,但其操作较复杂。

  2)气相环境:在气相环境中,AFM操作比较容易,它是广泛采用的一种工作环境。因AFM操作不受样品导电性的限制,它可在空气中研究任何固体表面,气相环境中AFM多受样品表面水膜干扰。

  3)液相环境:在液相环境中。AFM是把探针和样品放在液池中工作,它可以在液相中研究样品的形貌。液相中AFM消除了针尖和样品之间的毛细现象,因此减少了针尖对样品的总作用力,液相AFM的应用十分广阔,它包括生物体系、腐蚀或任一液固界面的研究。

  4)电化学环境:正如超高真空系统一样,电化学系统为AFM提供了另一种控制环境,电化学AFM是在原有AFM基础上添加了电解双恒电位仪和相应的应用软件,电化学AFM可以现场研究电极的性质,包括化学和电化学过程诱导的吸附、腐蚀以及有机和物分子在电极表面的沉积和形态变化等。

  五、原子力显微镜的简要历史

  原子力显微镜是一种具有原子分辨率的表面形貌、电磁性能分析的重要仪器。1981年,STM(scanning tunneling microscopy, 扫描隧道显微镜)由IBM-Zurich 的Binnig and Rohrer 发明。1982年,Binnig首次观察到原子分辨图Si(7x7)。1985年,Binnig, Gerber和Quate开发成功了首台AFM(atomic force microscope, 原子力显微镜)。在表面科学、纳米技术领域、生物电子等领域, SPM(scanning probe microscopy)逐渐发展成为重要的、多功能材的材料表征工具。

  六、原子力显微镜的优缺点

  1)优点

  原子力显微镜观察到的图像相对于扫描电子显微镜,原子力显微镜具有许多优点。不同于电子显微镜只能提供二维图像,AFM提供真正的三维表面图。同时,AFM不需要对样品的任何特殊处理,如镀铜或碳,这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。第三,电子显微镜需要运行在高真空条件下,原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。这样可以用来研究生物宏观分子,甚至活的生物组织。

  2)缺点

  和扫描电子显微镜(SEM)相比,AFM的缺点在于成像范围太小,速度慢,受探头的影响太大。原子力显微镜(Atomic Force Microscope)是继扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器,可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测,或者直接进行纳米操纵;现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研究和科研院所各种纳米相关学科的研究实验等领域中,成为纳米科学研究的基本工具。原子力显微镜与扫描隧道显微镜相比,由于能观测非导电样品,因此具有更为广泛的适用性。当前在科学研究和工业界广泛使用的扫描力显微镜(Scanning Force Microscope),其基础就是原子力显微镜。

  文章链接:仪器设备网 https://www.instrumentsinfo.com/technology/show-1998.html


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