范思哲-一文看懂原子力显微镜(AFM)

一、 什么是AFM


AFM全称Atomic Force Microscope,即原子力显微镜,它是继扫描地道显微镜(Scanning Tunneling Microscop范思哲-一文看懂原子力显微镜(AFM)e)之后创造的一种具有原子级高分辩的新式仪器,能够在大气和液体环境下对各种资料和样品进行纳米区域的物理性质包范思哲-一文看懂原子力显微镜(AFM)含描摹进行勘探,或许直接进行纳米操作。



AFM原理:针尖与外表原子互相效果

1985年,IBM公司的Binning和Stanford大学的Quate研制出了原子力显跳蛋play微镜(AFM),弥补了STM的缺乏,能够用来丈量任何样品(不管导电性与否)的外表

AFM运用一个对弱小力极活络的、在其一端带有一细小针尖的微悬臂,来替代STM地道针尖,通过勘探针尖与样品之间的互相效果力来完成外表成像的。


二、AFM原理


AFM的原理较为简略,它是用细小探针“探索”样品外表来取得信息

如下图所示,当针尖挨近样品时,针尖遭到力的效果使悬臂发作偏转或振幅改动。悬臂的这种改动经检测体系检测后转变成电信号传递给反应体系和成像体系,记载扫描过程中一系列探针改动就能够取得样品外表信息图画。




AFM是在STM的基础上发展起来的。所不同的是,它不是运用电子地道效应,而是运用原子之间的范德华力(Van Der Waals Force)效果来出现样品的外表特性。

假定两个原子一个是在悬臂的探针顶级,另一个是在样本的外表,它们之间的效果力会随间隔的改动而改动,其效果力与间隔的联系如下图所示,当原子与原子很挨近时,互相电子云斥力的效果大于原子核与电子云之间的吸引力效果,所以整个合力表现为斥力的效果,反之若两原子分隔有必定间隔时,其电子云斥力的效果小于互相原子核与电子云之间的吸引力效果,故整个合力表现为引力的效果。原子力显微镜便是运用原子之间奇妙的联系来把原子姿态给出现出来。




三 、AFM根本成像方式


原子力显微镜有三种根本成像方式,它们分别是触摸式(Contact mode)、非触摸式(non-contact mod范思哲-一文看懂原子力显微镜(AFM)e)、轻敲式(tapping mode)

1、触摸式

触摸式AFM是一个排斥性的方式,探针顶级和样品做柔软性的“实践触摸”,当针尖悄悄扫过样品外表时,触摸的力气引起悬臂曲折,从而得到样品的外表图形。由所以触摸式扫描,在触摸样品时或许会是样品外表曲折。通过屡次扫描后,针尖或许样品有钝化现象。

特色:一般情况下,触摸方式都能够发生安稳的、分辩率高的图画。可是这种方式不适用于研讨生物大分子、低弹性模量样品以及简单移动和变形的样品。




2、非触摸式

在非触摸方式中,针尖在样品外表的上方振动,一直不与样品触摸,勘探器检测的是范德华效果力和静电力等对成像样品没有损坏的长程效果力。

需求运用较坚固的悬臂(避免与样品触摸)。所得到的信号更小,需求更活络的设备,这种方式虽然增加了显微镜的活络度,但当针尖和样品之间的间隔较长时,分辩率要比触摸方式和轻敲方式都低

特色:因为为非触摸状况,关于研讨柔软或有弹性的样品较佳,并且针尖或许样品外表不会有钝化效应,不过会有误判现象。这种方式的操作相对较难,一般不适用于在液体中成像,在生物中的使用也很少。




3、轻敲式

微悬臂在其共振频率邻近做受迫振动,振动的针尖悄悄的敲击外表,连续地和样品触摸。当针尖与样品不触摸时,微悬臂以最大振幅自由振动。当针尖与样品外表触摸时,虽然压电陶瓷片以相同的能量激起微悬臂振动,可是空间阻止效果使得微悬臂的振幅减小。反应体系操控微悬臂的振幅稳定,针尖就跟从外表的崎岖上下移动取得描摹信息。

相似非触摸式AFM,比非触摸式更接近样品外表。危害样品的或许性比触摸式少(不必旁边面力,冲突或许拖拽)。

轻敲方式的分辩率和触摸方式相同好,并且因为触摸时刻十分时间短,针尖与样品的互相效果力很小,一般为1皮牛顿(pN)~1纳牛顿(nN),剪切力引起的分辩率的下降和对样品的损坏简直消失,所以适用于对生物大分子、聚合物等软样品进行成像研讨

特色:关于一些与基底结合不结实的样品,轻敲方式与触摸方式比较,很大程度地下降了针尖对外表结构的“转移效应”。样品外表崎岖较大的大型扫描比非触摸式的更有用。




四、 AFM的分辩率


原子力显微镜分辩率包含侧向分辩率和笔直分辩率。

图画的侧向分辩率决议于两种要素:收集图画的步宽(Step size)针尖形状

1、 步宽要素

原子力显微镜图画由许多点组成,其采点的方式如图所示.扫描器沿着齿形道路进行扫描,核算机以必定的步宽取数据点.以每幅图画取512x 512数据点核算,扫描1m x1m尺度图画得到步宽为2nm(1m/512)高质量针尖能够供给1~2nm的分辩率.由此可知,在扫描样品尺度超越1m范思哲-一文看懂原子力显微镜(AFM) x1m时,AFM的侧向分辩率是由收集图画的步宽决议的。



扫描管运动方向和数据点的收集


2、针尖要素

AFM成像实践上是针尖形状与外表描摹效果的成果,针尖的形状是影响侧向分辩率的关键要素。

针尖影响AFM成像首要表现在两个方面:针尖的曲率半径和针尖旁边面角,曲率半径决议最高侧向分辩率,而探针的旁边面角决议最高外表比率特征的勘探才能。曲率半径越小,越能分辩精细结构.



不同曲率半径的针尖对球形物成像时的扫描道路


五、 AFM制样及测验


1、 制样流程

AFM制样时,对样品导电与否没有要求,因而丈量规模比较广泛。


2、 测验及成果剖析

以氧化石墨烯AFM成果


六、 AFM使用技术举例


AFM能够在大气、真空、低温文高温、不同气氛以及溶液等各种环境下作业,且不受样品导电性质的约束,因而已取得比STM更为广泛的使用。首要用途:

1. 导体、半导体和绝缘体外表的高分辩成像

2. 生物样品、有机膜的高分辩成像

3. 外表化学反应研讨

4. 纳米加工与操作

5. 超高密度信息存储

6. 分子间力和外表力研讨

7 冲突学及各种力学研讨

8 在线检测和质量操控



外表原子转移