原子力显微镜课件PPT.ppt

——原子力显微镜;1982年,GerdBinnig和HeinrichRohrer共同研制成功了第一台扫描隧道显微镜(scanningtunnelingmicroscope,STM),1986年,Binnig和Rohrer被授予诺贝尔物理学奖。衍生出一系列扫描探针显微镜（ScanningProbemicroscope）;原子力显微镜(AtomicForceMicroscopy,AFM)是由Binnig与史丹佛大学的Quate于一九八五年所发明的;AFM的优点;原子级的高分辨率;观察活的生命样品;加工样品的力行为;3.1原子力显微镜简介;立式AFM(Hansma等,1988);3.原子力显微镜的总体结构组成;3.2原子力显微镜的测量和扫描模式;AFM的三种扫描成像模式;1）接触扫描成像模式;AFM轻敲扫描针尖振荡示意图;3.3探针与试件间的作用力;探针－试件间距离在10μm左右时，空气阻尼力

探针－试件间距离在100～1000nm时，主要静电力和磁力相互作用

探针－试件间距离在10～100nm处，吸附水膜产生几百nN吸引力的毛细力

针尖－试件距离到达10nm左右时，原子(分子、离子)间吸引的范德华力

针尖－试件间距离小到1nm以内时，原子间相互排斥的厍仑力开始起作用

;2.AFM工作时针尖－试件间的相互作用力;范德华力，由三部分组成：

(1)偶极－偶极相互作用力，即两个偶极子之间的作用力；

(2)偶极－感应偶极间的相互作用力,同被它感应的偶极子间的相互作用力；

(3)色散力，它存于中性的原子或分子间。这些中性的原子或分

子的时间平均偶极矩为零，但是由于电子不断围绕原子核运

动，在某一瞬间可能产生一定的偶极矩，使得中性原子或分

子之间产生瞬时间偶极矩作用，从而产生了色散力。;2）针尖－试件原子间作用力和距离的关系;3）针尖和试件“接触”的概念;3.悬臂－针尖－试件相互作用的动力学分析;3.4毛细力和AFM在液体中测量;2.毛细力及其对AFM测量的影响;现在还不能完全控制AFM在液体中不同条件时的针尖－试件间的相互作用力，作用机理也不完全清楚。但AFM在液体中测量时，因消除了毛细力，可以使针尖－试件间的作用力，比在真空中测量降低两个数量级。这对检测柔软生物细胞，低弹性模量的软质材料极为重要。;水下Au(111)的AFM图像(Manne,1990)

原子分辨率的起伏幅度约1?。;3.5影响AFM测量精度的若干问题分析;1)在AFM采用接触测量时，ki0，实测高度Δz将小于试件表面真实的起伏。

2)在AFM采用恒力测量模式时，针尖一试件间的相互作用力需保持不变。当检测中作用力发生变化kiΔh时，反馈系统通过改变Δz,使悬臂的变形力产生变化,而达到平衡：kc(Δz–Δh)=kiΔh;3.探针尖曲率半径对测量结果的影响;4.试件表面廓形高低起伏不平对测量结果的影响;3.6AFM的微悬臂和针尖;2.微悬臂和针尖的结构形式;a)玻璃基板带4个微悬臂b)单个带针尖的V形微悬臂c)金字塔形针尖

(1.75mm×1.30mm)(142μm×105μm)(4.2μm×3.2μm)

带金字塔形针尖的Si3N4一体化V形薄片微悬臂(C.Quate);5)带圆锥形针尖的一体化的V形薄片微悬臂;6)粘晶须针尖的微悬臂;7)碳纳米管针尖的微悬臂;3.微悬臂的力学性能分析;4)若干AFM的微悬臂的物理力学性能;3.7AFM针尖作用力和悬臂变形位移的测量;3.电容测量法;5.激光反射测量法;3.8微悬臂的激振;不同ω/ω0比值时的微悬臂振幅;存在F双压电晶片驱动微悬臂的振动;力梯度F’使微悬臂的共振产生变化;云母AFM图像;AFM图像-积层电路;AFM图像-材料缺陷;1988年，Albrecht等人首次用它观测聚合物膜的表面，从此AFM为聚合??膜的研究敞开了一扇崭新的大门。;分辨率能达到原子分辨水平；

样品不需复杂的预处理，避免了由此所带来的测量误差；

对操作环境的要求较宽松，在空气或液体(水、氯化钠溶液等)中观测都可以；

操作力很小，能成功地观测软的物质表面。

;AFM在聚合物膜研究的应用现状;1表面整体形态研究;Fig.1.SectionanalysisofTM-AFMimage.;Fig.2.Three-d