原子力顯微鏡原理及應(yīng)用

一、 什么是AFM

AFM全稱Atomic Force Microscope，即原子力顯微鏡，它是繼掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope）之后發(fā)明的一種具有原子級(jí)高分辨的新型儀器，可以在大氣和液體環(huán)境下對(duì)各種材料和樣品進(jìn)行納米區(qū)域的物理性質(zhì)包括形貌進(jìn)行探測(cè)，或者直接進(jìn)行納米操縱。

AFM 原理：針尖與表面原子相互作用

1985年，IBM公司的Binning和Stanford大學(xué)的Quate研發(fā)出了原子力顯微鏡（AFM），彌補(bǔ)了STM的不足，可以用來(lái)測(cè)量任何樣品（無(wú)論導(dǎo)電性與否）的表面。

AFM利用一個(gè)對(duì)微弱力極敏感的、在其一端帶有一微小針尖的微懸臂，來(lái)代替STM隧道針尖，通過(guò)探測(cè)針尖與樣品之間的相互作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)表面成像的。

二、AFM原理

AFM的原理較為簡(jiǎn)單，它是用微小探針“摸索”樣品表面來(lái)獲得信息。

如下圖所示，當(dāng)針尖接近樣品時(shí)，針尖受到力的作用使懸臂發(fā)生偏轉(zhuǎn)或振幅改變。懸臂的這種變化經(jīng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)后轉(zhuǎn)變成電信號(hào)傳遞給反饋系統(tǒng)和成像系統(tǒng)，記錄掃描過(guò)程中一系列探針變化就可以獲得樣品表面信息圖像。

AFM是在STM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。所不同的是，它不是利用電子隧道效應(yīng)，而是利用原子之間的范德華力（Van Der Waals Force）作用來(lái)呈現(xiàn)樣品的表面特性。

假設(shè)兩個(gè)原子一個(gè)是在懸臂的探針尖端，另一個(gè)是在樣本的表面，它們之間的作用力會(huì)隨距離的改變而變化，其作用力與距離的關(guān)系如下圖所示，當(dāng)原子與原子很接近時(shí)，彼此電子云斥力的作用大于原子核與電子云之間的吸引力作用，所以整個(gè)合力表現(xiàn)為斥力的作用，反之若兩原子分開有一定距離時(shí)，其電子云斥力的作用小于彼此原子核與電子云之間的吸引力作用，故整個(gè)合力表現(xiàn)為引力的作用。原子力顯微鏡就是利用原子之間微妙的關(guān)系來(lái)把原子樣子給呈現(xiàn)出來(lái)。

三 、AFM基本成像模式

原子力顯微鏡有三種基本成像模式，它們分別是接觸式(Contact mode)、非接觸式(non-contact mode)、輕敲式(tapping mode)

1、接觸式

接觸式AFM是一個(gè)排斥性的模式，探針尖端和樣品做柔軟性的“實(shí)際接觸”，當(dāng)針尖輕輕掃過(guò)樣品表面時(shí)，接觸的力量引起懸臂彎曲，進(jìn)而得到樣品的表面圖形。由于是接觸式掃描，在接觸樣品時(shí)可能會(huì)是樣品表面彎曲。經(jīng)過(guò)多次掃描后，針尖或者樣品有鈍化現(xiàn)象。

特點(diǎn)：通常情況下，接觸模式都可以產(chǎn)生穩(wěn)定的、分辨率高的圖像。但是這種模式不適用于研究生物大分子、低彈性模量樣品以及容易移動(dòng)和變形的樣品。

2、非接觸式

在非接觸模式中，針尖在樣品表面的上方振動(dòng)，始終不與樣品接觸，探測(cè)器檢測(cè)的是范德華作用力和靜電力等對(duì)成像樣品沒(méi)有破壞的長(zhǎng)程作用力。

需要使用較堅(jiān)硬的懸臂（防止與樣品接觸）。所得到的信號(hào)更小，需要更靈敏的裝置，這種模式雖然增加了顯微鏡的靈敏度，但當(dāng)針尖和樣品之間的距離較長(zhǎng)時(shí)，分辨率要比接觸模式和輕敲模式都低

特點(diǎn)：由于為非接觸狀態(tài)， 對(duì)于研究柔軟或有彈性的樣品較佳，而且針尖或者樣品表面不會(huì)有鈍化效應(yīng)，不過(guò)會(huì)有誤判現(xiàn)象。這種模式的操作相對(duì)較難，通常不適用于在液體中成像，在生物中的應(yīng)用也很少。

3、輕敲式

微懸臂在其共振頻率附近做受迫振動(dòng)，振蕩的針尖輕輕的敲擊表面，間斷地和樣品接觸。當(dāng)針尖與樣品不接觸時(shí)，微懸臂以最大振幅自由振蕩。當(dāng)針尖與樣品表面接觸時(shí)，盡管壓電陶瓷片以同樣的能量激發(fā)微懸臂振蕩，但是空間阻礙作用使得微懸臂的振幅減小。反饋系統(tǒng)控制微懸臂的振幅恒定，針尖就跟隨表面的起伏上下移動(dòng)獲得形貌信息。

類似非接觸式AFM，比非接觸式更靠近樣品表面。損害樣品的可能性比接觸式少（不用側(cè)面力，摩擦或者拖拽）。

輕敲模式的分辨率和接觸模式一樣好，而且由于接觸時(shí)間非常短暫，針尖與樣品的相互作用力很小，通常為1皮牛頓（pN）～1納牛頓（nN），剪切力引起的分辨率的降低和對(duì)樣品的破壞幾乎消失，所以 適用于對(duì)生物大分子、聚合物等軟樣品進(jìn)行成像研究

特點(diǎn)：對(duì)于一些與基底結(jié)合不牢固的樣品，輕敲模式與接觸模式相比，很大程度地降低了針尖對(duì)表面結(jié)構(gòu)的“搬運(yùn)效應(yīng)”。樣品表面起伏較大的大型掃描比非接觸式的更有效。

四、 AFM的分辨率

原子力顯微鏡分辨率包括側(cè)向分辨率和垂直分辨率。

圖像的側(cè)向分辨率決定于兩種因素：采集圖像的 步寬(Step size)和 針尖形狀

1、 步寬因素

原子力顯微鏡圖像由許多點(diǎn)組成，其采點(diǎn)的形式如圖所示．掃描器沿著齒形路線進(jìn)行掃描，計(jì)算機(jī)以一定的步寬取數(shù)據(jù)點(diǎn)．以每幅圖像取512x 512數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算，掃描1μm x1μm尺寸圖像得到步寬為2nm(1μm／512)高質(zhì)量針尖可以提供1~2nm的分辨率．由此可知，在掃描樣品尺寸超過(guò)1μm x1μm時(shí)，AFM的側(cè)向分辨率是由采集圖像的步寬決定的。

掃描管運(yùn)動(dòng)方向和數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集

2、針尖因素

AFM成像實(shí)際上是針尖形狀與表面形貌作用的結(jié)果，針尖的形狀是影響側(cè)向分辨率的關(guān)鍵因素。

針尖影響AFM成像主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面： 針尖的曲率半徑和 針尖側(cè)面角，曲率半徑?jīng)Q定最高側(cè)向分辨率，而探針的側(cè)面角決定最高表面比率特征的探測(cè)能力。曲率半徑越小，越能分辨精細(xì)結(jié)構(gòu)．

不同曲率半徑的針尖對(duì)球形物成像時(shí)的掃描路線

五、 AFM制樣及測(cè)試

1、 制樣流程

AFM制樣時(shí)，對(duì)樣品導(dǎo)電與否沒(méi)有要求，因此測(cè)量范圍比較廣泛。

2、 測(cè)試及結(jié)果分析

以氧化石墨烯AFM結(jié)果

六、 AFM應(yīng)用技術(shù)舉例

AFM可以在大氣、真空、低溫和高溫、不同氣氛以及溶液等各種環(huán)境下工作，且不受樣品導(dǎo)電性質(zhì)的限制，因此已獲得比STM更為廣泛的應(yīng)用。主要用途：

1. 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體表面的高分辨成像

2. 生物樣品、有機(jī)膜的高分辨成像

3. 表面化學(xué)反應(yīng)研究

4. 納米加工與操縱

5. 超高密度信息存儲(chǔ)

6. 分子間力和表面力研究

7 摩擦學(xué)及各種力學(xué)研究

8 在線檢測(cè)和質(zhì)量控制

表面原子搬運(yùn)

總結(jié)，以上是原子力顯微鏡的原理、測(cè)試與應(yīng)用的相關(guān)介紹，更多測(cè)試需求請(qǐng)聯(lián)系鑠思百檢測(cè)客服。