扫描探针显微技术之二――原子力显微镜(AFM)技术

原子力显微镜AtomicForceMicroscopy主要内容发展历史基本原理应用scanningtunnelingMicroscopy(STM，1982)Atomicforcemicroscopy(AFM)LateralForceMicroscopy(LFM)MagneticForceMicroscopy(MFM)ElectrostaticForceMicroscopy(EFM)ChemicalForceMicroscopy(CFM)NearFieldScanningOpticalMicroscopy(NSOM)扫描探针显微镜SPMSPM是指在STM基础上发展起来的一大类显微镜，通过探测极小探针与表面之间的物理作用量如光、电、磁、力等的大小而获得表面信息。1986，IBM，葛·宾尼（G.Binnig）发明了原子力显微镜(AtomicForceMicroscope,AFM)——新一代表面观测仪器．原理：利用原子之间的范德华力（VanDerWaalsForce）作用来呈现样品的表面特性基本原理基本原理原子间的作用力吸引部分排斥部分Fpaird原子原子排斥力原子原子吸引力samplescannercantileverphotodetectorlaserdiode微悬臂激光二极管光电检测器基本原理AFM信号反馈模式基本原理微悬臂位移量的检测方式力检测部分光学检测部分反馈电子系统压电扫描系统计算机控制系统仪器构成接触模式(contactmode)非接触模式(non-contactmode)轻敲模式(tapping/intermittentcontactmode)vanderWaalsforcecurve工作模式针尖始终向样品接触并简单地在表面上移动，针尖—样品间的相互作用力是互相接触原于的电子间存在的库仑排斥力，其大小通常为10－8—10－11N。vanderWaalsforcecurve工作模式-接触模式d＜０.０３nm优点：可产生稳定、高分辨图像。缺点：可能使样品产生相当大的变形，对柔软的样品造成破坏，以及破坏探针，严重影响AFM成像质量。工作模式-接触模式相互作用力是范德华吸引力，远小于排斥力.vanderWaalsforcecurved:5~20nm振幅：2nm～5nm工作模式-非接触模式范德华吸引力微悬臂以共振频率振荡，通过控制微悬臂振幅恒定来获得样品表面信息的。优点：对样品无损伤缺点：1）分辨率要比接触式的低。2）气体的表面压吸附到样品表面，造成图像数据不稳定和对样品的破坏。工作模式-非接触模式介于接触模式和非接触模式之间:其特点是扫描过程中微悬臂也是振荡的并具有比非接触模式更大的振幅(5~100nm)，针尖在振荡时间断地与样品接触。vanderWaalsforcecurve振幅：5nm～100nm工作模式-轻敲模式特点：1）分辨率几乎同接触模式一样好；2）接触非常短暂，因此剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失；工作模式-轻敲模式工作模式-轻敲模式相位成像(phaseimaging)技术通过轻敲模式扫描过程中振动微悬臂的相位变化来检测表面组分,粘附性,摩擦,粘弹性和其他性质的变化.基本原理基本原理原子力显微镜之解析度基本原理基本原理基本原理氮化硅探针针尖放大图基本原理为克服“加宽效应”：一方面可发展制造尖端更尖的探针技术，另一方面对标准探针进行修饰也可提高图像质量。针尖技术单碳纳米壁管直径0.7～5nm基本原理AFM技术的主要特点:优点:制样相对简单,多数情况下对样品不破坏.具有高分辨率，三维立体的成像能力，可同时得到尽可能多的信息.操作简单,对附属设备要求低.缺点:对试样仍有较高要求,特别是平整度.实验结果对针尖有较高的依赖性(针尖效应).仍然属于表面表征技术,需和其他测试手段结合.主要内容发展历史工作原理应用原子力显微镜的应用金属半导体材料化学纳米材料生命科学微加工技术……用AFM观察DNA双螺旋结构生物和生命科学用AFM观察细胞生长生物和生命科学用AFM观察集成电路的线路刻蚀情况微电子科学和技术高分子领域的应用聚合物膜表面形貌与相分离观察Kajiyama等人应用AFM研究了单分散聚苯乙烯(PS)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混成膜的相分离情况。膜较厚时(25μｍ),看不到分相。膜厚100nｍ时,可以得到PMMA呈岛状分布在PS中的AFM图象。聚合物膜表面形貌与相分离观察对非晶态聚合物膜,形貌图信息较为有限。AFM“相成像”方式(phaseimaging)得到的数据与样品表面硬度和粘弹性有关，可以观察相分离．即使在样品表面相对“平坦”的情况下,也能较好地反映出聚合物的相分离后,不同类型聚合物的所在区域。高分子结晶形态观察聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物的苯溶液在ＬＢ膜槽内分散,而后在极低的表面压下(0.1ｍＮ/ｍ)将分子沉积在新鲜云母表面。非晶态单链高分子结构观察AFM在聚合物膜研究中的应用1表面整体形态研究2孔径(分布),粒度（分布）研究3粗糙度研究1表面整体形态研究2孔径(分布),粒度（分布）研究SectionanalysisofTM-AFMimage.Tappingmodeatomicforcemicrographs3粗糙度研究粗糙度（Surfaceroughness）表示膜表面形态间的差异，影响着膜的物理和化学性能、膜表面的污染程度和膜的水通量。膜污染研究-超滤膜或微滤膜新膜表面三维图X—1μm/格;Z—50nm/格污染膜表面三维图X—1μm/格;Z—2000nm/格AFM以分辨率高、制样要求简单、得到的样品表面信息丰富的特点在各领域得到了越来越广泛的应用。THEEND！