原子力显微镜
一、实验目çš?/p>
1.
了解原子力显微镜的工作原理ã€?/p>
2
.初步掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法ã€?/p>
二、实验原ç�?/p>
1.AFM
ï¼?/p>
1
ï¼?/p>
AFM
的工作原ç�?/p>
�/p>
AFM
中用一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂上的极细探针。当探针与样品接触时
,
由于
它们原子之间存在极微弱的作用åŠ?/p>
(
吸引或排斥力
)
,
引起微悬臂偏转。扫描时控制这种ä½?/p>
用力恒定
,
带针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的等位é�?/p>
,
在垂直于样品表面方向上起ä¼?/p>
运动
,
因而会使反射光的位置改变而造成偏移量,通过光电检测系ç»?/p>
(
通常利用光学、电å®?/p>
或隧道电流方æ³?/p>
)
对微悬臂的偏转进行扫æ�?/p>
,
测得微悬臂对应于扫描各点的位置变åŒ?/p>
,
此时
激光检测器会记录此偏移量,
也会把此时的信号给反馈系统,
以利于系统做适当的调整ã€?/p>
å°?/p>
信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像ã€?/p>
AFM
的核心部件是力的传感器件
,
包括微悬è‡?/p>
(Cantilever)
和固定于其一端的针尖。根æ�?/p>
物理学原ç�?/p>
,
施加åˆ?/p>
Cantilever
末端力的表达式为ï¼?/p>
F = K
Δ
Z
Δ
Z
表示针尖相对于试样间的距ç¦?/p>
, K
�/p>
Can2tilever
的弹性系数,力的变化均可以通过
Cantilever
被检测ã€?/p>
ï¼?/p>
2
ï¼?/p>
AFM
关键部位ï¼?/p>
AFM
关键部份是力敏感元件和力敏感检测装置。所以微悬臂和针尖是决定
AFM
灵敏度的æ ?/p>
心。为了能够准确地反映出样品表面与针尖之间微弱的相互作用力的变åŒ?/p>
,
得到更真实的æ ?/p>
品表面形è²?/p>
,
提高
AFM
的灵敏度
,
微悬臂的设计通常要求满足下述条件
:
①较低的力学弹æ€?/p>
系数
,
使很小的力就可以产生可观测的位移
;
②较高的力学共振频率
;
③高的横向刚æ€?/p>
,
é’?/p>
尖与样品表面的摩擦不会使它发生弯æ›?/p>
;
④微悬臂长度尽可能短
;
⑤微悬臂带有能够通过å…?/p>
学、电容或隧道电流方法检测其动态位移的镜子或电æž?/p>
;
⑥针尖尽可能尖锐ã€?/p>
(3) AFM
的针尖技æœ?/p>
探针æ˜?/p>
AFM
的核心部件。如右图ã€?/p>
目前
,
一般的探针式表面形貌测量仪垂直分辨率已达到
0.1
nm
,
因此足以检测出物质表面的微观形貌ã€?/p>
普通的
AFM
探针
材料是硅、氧化硅或氮化硅
(Si3N4 ) ,
其最小曲率半径可è¾?/p>
10
nm
。由于可能存在“扩宽效应â€?/p>
,
针尖技术的发展åœ?/p>
AFM
中非å¸?/p>
重要。探针针尖的几何物理特性制约着针尖的敏感性及样品å›?/p>
像的空间分辨率ã€?/p>
因此针尖技术的发展有赖于对针尖进行能动
的、功能化的分子水平的设计ã€?/p>
只有设计出更尖锐、更功能åŒ?/p>
的探é’?/p>
,
改善
AFM
的力调制成像
(force modulation imaging)
技术和相位成像
(phase
imaging)
技术的成像环境
,
同时改进è¢?/p>
测样品的制备方法
,
才能真正地提高样品表面形貌图像的质量ã€?/p>
(4) AFM
的工作模å¼?/p>
AFM
有三种不同的工作模式
:
接触模式
( contact mode)
、非接触模式
(noncontact mode)
和共振模式或轻敲模式
(Tapping Mode)
�/p>
①接触模å¼?/p>
接触模式包括恒力模式
(constant2force mode)
和恒é«?/p>
(constant2height mode)
。在恒力
模式中过反馈线圈调节微悬臂的偏转程度不变
,
从而保证样品与针尖之间的作用力恒定
,

å½?