Atomic Force Microscopy 原子力显微镜（AFM）
目录：
• AFM的发展历史 • AFM的原理 • AFM的分类 • AFM机器的组成 • 影响AFM分辨率的因素 • AFM技术应用举例 • 照片举例 • AFM的缺点
高级显微镜
• 1938年，德国工程师Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上第一台透射电子显微 镜（TEM）
• 位置检测部分： 在原子力显微镜（AFM）的系统中，当
针尖与样品之间有了交互作用之后，会使 得悬臂（cantilever）摆动，所以当激光 照射在cantilever的末端时，其反射光的 位置也会因为cantilever摆动而有所改变， 这就造成偏移量的产生。在整个系统中是 依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下 并转换成电的信号，以供控制器作信号处 理。
接触式原子力显微镜
• 接触式AFM是一个排斥性的模式，探针尖 端和样品做柔软性的“实际接触”，当针 尖轻轻扫过样品表面时，接触的力量引起 悬臂弯曲，进而得到样品的表面图形。
• 由于是接触式扫描，在接触样品时可能会 是样品表面弯曲。
• 经过多次扫描后，针尖或者样品有钝化现 象。
特点：
• 通常情况下，接触模式都可以产生稳定的、 分辨率高的图像。但是这种模式不适用于 研究生物大分子、低弹性模量样品以及容 易移动和变形的样品。
隧道效应
• 经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小 于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行车 过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。 如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。
• 量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向 势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好像有一个 隧道，故名隧道效应（quantum tunneling）。可见，宏观上 的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下， 隧道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小，但在 某些特丁的条件下宏观的隧道效应也会出现。
特点：
• 对于一些与基底结合不牢固的样品，轻敲 模式与接触模式相比，很大程度地降低了 针尖对表面结构的“搬运效应”。
• 样品表面起伏较大的大型扫描比非接触式 的更有效。
间歇接触式（tapping mode）
原子力显微镜的构成
在原子力显微镜的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检 测部分、反馈系统。
特点：
• 由于为非接触状态，对于研究柔软或有弹 性的样品较佳，而且针尖或者样品表面不 会有钝化效应，不过会有误判现象。这种 模式的操作相对较难，通常不适用于在液 体中成像，在生物中的应用也很少。
非接触式（non contact mode）
间歇接触式原子力显微镜
• 微悬臂在其共振频率附近做受迫振动，振 荡的针尖轻轻的敲击表面，间断地和样品 接触。当针尖与样品不接触时，微悬臂以 最大振幅自由振荡。当针尖与样品表面接 触时，尽管压电陶瓷片以同样的能量激发 微悬臂振荡，但是空间阻碍作用使得微悬 臂的振幅减小。反馈系统控制微悬臂的振 幅恒定，针尖就跟随表面的起伏上下移动 获得形貌信息。
• 2. 非接触模式（Non-Contact Mode）：作用力在引力范 围，包括范德华力、静电力或磁力等。
• 3. 轻敲模式（Tapping Mode） • 4. Interleave模式（Interleave Normal Mode/Lift Mode） • 5. 力调制模式（Force Modulation Mode） • 6. 力曲线模式（Force Curve Mode）
接触式（ contact mode）
非接触式原子力显微镜
• 在非接触模式中，针尖在样品表面的上方 振动，始终不与样品接触，探测器检测的 是范德华作用力和静电力等对成像样品没 有破坏的长程作用力。
• 需要使用较坚硬的悬臂（防止与样品接 触）。
• 所得到的信号更小，需要更灵敏的装置， 这种模式虽然增加了显微镜的灵敏度，但 当针尖和样品之间的距离较长时，分辨率 要比接触模式和轻敲模式都低。
• 1952年，英国工程师Charles Oatley制造 出了第一台扫描电子显微镜（SEM）
至此，电子显微镜的分辨率达到纳米级
• 1983年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学 家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了 扫描隧道显微镜（STM）
• 应用电子的“隧道效应”这一原理，对导 体或半导体进行观测
恒定力量或者恒定高度
探针如何成像
表面形貌和材料如何测量
垂直信號的變化 即樣本的表面變化
水平信號的變化 即樣本的材質變化
Z XY
•
Caover
Mover
Cantilever 擺動 的方向
AFM有多种工作模式
• 1. 接触模式（Contact Mode）：作用力在斥力范围，力 的量级为10－9∼10－8N，或1∼10eV/Å。可达到原子级 分辨率。
AFM出现的意义
• STM的原理是电子的“隧道效应”，所以只 能测导体和部分半导体
• 1985年，IBM公司的Binning和Stanford大 学的Quate研发出了原子力显微镜（AFM）， 弥补了STM的不足
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成像原理
atom atom
atom atom
Expulsive force
Attractive force
力检测部分： 在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的
力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是 使用微小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变 化量。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、 弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照 样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型 的探针。
• 类似非接触式AFM，比非接触式更靠近样 品表面。损害样品的可能性比接触式少 （不用侧面力，摩擦或者拖拽）。
• 轻敲模式的分辨率和接触模式一样好，而 且由于接触时间非常短暂，针尖与样品的 相互作用力很小，通常为1皮牛顿（pN）～ 1纳牛顿（nN），剪切力引起的分辨率的降 低和对样品的破坏几乎消失，所以适用于 对生物大分子、聚合物等软样品进行成像 研究。