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原子力显微镜(AFM) 简单介绍(Ⅰ)

 

本文授权转载自微信公众号“JEnergyChem”

原子力显微镜(AFM) 简单介绍(Ⅰ)

原子力显微镜(AFM) 简单介绍(Ⅰ)
AFM基本组成

原子力显微镜是一种扫描探针显微镜,它是IBM公司Gerd Binning和斯坦福大学的Quate在1986年研发的,主要通过小探针与表面之间相互作用力的大小来获得表面信息。在一般的AFM系统中,主要由三部分组成:力传感部分、位置检测部分、反馈系统,其中力传感部分是AFM的核心部分,目前商业化比较流行的是微悬臂探针(Cantilever-Tip)系统。微悬臂通常由一个100~500μm长和大约500nm~5 μm厚的硅片或氮化硅片制成,在其前端有一个突出小探针,当针尖与样品的距离到达某个值时,针尖与样品间的相互作用力引起悬臂发生机械响应(Deflection),产生相应偏转。图二(c)为针尖不断靠近表面样品所产生的相互作用力。一般情况下将微悬臂固定在悬臂托上(Cantilever Holders),图三为Bruker公司常用的悬臂托。

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图一:常用AFM针尖形状

 

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图二:(a) AFM简单模型图;(b) 针尖与样品表面原子结构示意图;(c) 针尖与样品间相互作用力

位置检测部分主要是由激光和激光检测系统组成。而反馈系统中主要包含一系列的压电陶瓷管。压电陶瓷是一种性能奇特的材料,当在压电陶瓷对称的两个端面加上电压时,压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。而伸长或缩短的尺寸与所加的电压的大小成线性关系。即可以通过改变电压来控制压电陶瓷的微小伸缩。通常把三个分别代表X,Y,Z方向的压电陶瓷块组成三角架的形状,通过控制X,Y方向伸缩达到驱动探针在样品表面扫描的目的;通过控制Z方向压电陶瓷的伸缩达到控制探针与样品之间距离的目的。

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图三:Bruker公司常用悬臂托

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二、AFM工作原理

在原子力显微镜(AFM)的系统中,使用微小悬臂(cantilever)来感测针尖与样品之间的相互作用,这作用力会使微悬臂摆动,再利用激光将光照射在悬臂的末端,当摆动形成时,会使反射光的位置改变而造成偏移量,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,最后再将样品的表面特性以影像的方式给呈现出来。详细过程可以观察下面视频。

AFM工作原理图

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三、AFM工作模式

在不同的样品和应用领域,采用不同的工作模式。在AFM工作模式中,可以分为以下三种模式:接触模式;轻敲模式和非接触模式。

(1) 接触模式(Contact Mode)又称为静态AFM,在扫描样品过程中,针尖始终同样品“接触”。此模式包括恒力模式(Constant-Force Mode) 和恒高模式(Constant-Height Mode),在恒力模式中,通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,当沿X、Y方向扫描时,记录Z方向上扫描器的移动情况来得到样品的表面形貌。这种模式由于可以通过改变样品的上下高度来调节针尖与样品表面之间的距离,这样样品的高度值较准确,适用于物质的表面分析。在恒高模式中,保持样品与针尖的相对高度不变,直接测量出微悬臂的偏转情况,即扫描器在Z方向上的移动情况来获得图像。这种模式对样品高度的变化较为敏感,可实现样品的快速扫描,适用于分子、原子的图像的观察。

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图四:Fe/W(001)表面及原子结构AFM图

(2) 轻敲模式(Tapping Mode)又称振幅调制模式AFM。扫描时通过调制压电陶瓷驱动器使带针尖的微悬臂以某一高频的共振频率和0.01~1nm的振幅在Z方向上共振,而微悬臂的共振频率可通过氟化橡胶减振器来改变。同时反馈系统通过调整样品与针尖间距来控制微悬臂振幅与相位,记录样品的上下移动情况,即在Z方向上扫描器的移动情况来获得图像。由于微悬臂的高频振动,使得针尖与样品之间频繁接触的时间相当短,针尖与样品可以接触,也可以不接触,且有足够的振幅来克服样品与针尖之间的粘附力。因此适用于柔软、易脆和粘附性较强的样品,且不对它们产生破坏,而且适合在液体中成像。这种模式在高分子聚合物的结构研究和生物大分子的结构研究中应用广泛。

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图五:NiO(001)原子分辨AFM图(亮点为O)

(3) 非接触模式(Non-Contact Mode)针尖在样品表面的上方振动,始终不与样品表面接触。针尖检测的是范德华吸引力和静电力等长程力,对样品没有破坏作用。针尖-样品距离在几到几十纳米的吸引力区域,针尖-样品作用力比接触式小几个数量级,但其力梯度为正且随针尖-样品距离减小而增大。


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