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1、 原子力显微镜（原子力显微镜（AFM）的应用的应用 原子力显微镜发展史原子力显微镜发展史l光学显微镜 1674 年，荷兰人列文虎克利用透镜对光线的折射发明了世界上第一台光学显微镜，并利用这台显微镜首次观察到了血红细胞，从而开启了人类使用仪器来研究微观世界的纪元。困难困难：光的波动性产生的衍射效应，在可见光范围内光学显微镜的极限分辨率只能达到300nm。l电子显微镜 1931 年德国科学家恩斯特鲁斯卡利用电子透镜可以使电子束聚焦的原理和技术，成功地发明了电子显微镜。电子显微镜一出现即展现了它的优势，电子显微镜的放大倍数提高到上万倍，在电子显微镜下，可以看到细胞小的多的病毒。分辨率达到了10-8
2、米。原子力显微镜发展史原子力显微镜发展史l划分领域 几十年来在电子显微镜的研究基础上，人们又开发出许多探测物质表面的方法和仪器，如：场离子显微镜（field ion microscope,FIM）,扫描电子显微镜（Scanning electron spectroscope，SES），光电子能谱（X-ray photoemission spectroscope，XPS），低能电子衍射（low energy electron diffraction，LEED）等，这些技术在表面研究中都起着重要作用，但也都有一定的局限性。原子力显微镜发展史原子力显微镜发展史l原子时代 20 世纪80 年代德裔物理
3、学家葛宾尼和他的导师海罗雷尔在瑞士苏黎士IBM实验室,创造性的将超导隧道效应、与新型显微镜的发明联系到一起。利用导体的隧道效应来探测物体表面并得到表面的形貌，这个天才的想法加上两人的不懈努力，1981 年，世界上第一台具有原子分辨能力的扫描隧道显微镜终于诞生。它是扫描探针显微镜家族的第一位成员，扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPMSPM）是原子力显微镜发展史原子力显微镜发展史 扫描探针显微镜是在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜的统称。l特点：扫描探针显微镜分辨率极高（原子级分分辨率极高（原子级分辨率）辨率）、实时、实空间、原位成像，对样品
4、无特殊要求（不受其导电性、干燥度、形状、硬度、纯度等限制）、可在大气、常温环境甚至是溶液中成像、同时具备纳米操纵及加工功能、系统及配套相对简单、廉价，广泛应用于纳米科技、材料科学、物理、化学和生命科学等领域，并取得许多重要成果。原子力显微镜发展史原子力显微镜发展史原子力显微镜发展史原子力显微镜发展史l原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)：它是SPM最重要的发展，是一种利用原子间的利用原子间的相互作用力相互作用力来观察物体表面微观形貌的新型实验技术。对样品无特殊要求，在大气、真空、液体环境下都可以直接测试，就有原子级分辨率原子级分辨率。原子力显微镜发展史原子力显
5、微镜发展史一、实验目的一、实验目的1.学习和了解原子力显微镜的原理和结构原理和结构。2.学习原子力显微镜的操作和调试过程，并以之 来观测观测样品的表面形貌表面形貌。二、实验仪器二、实验仪器CSPM5000扫描探针显微镜系统VCD金属母板 三、实验原理三、实验原理1.原子力显微镜是将一个对微弱力极敏感的微悬臂对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖针尖，针尖与样品的表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力（10-8106N），通过扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动在垂直于样品的表面
6、方向起伏运动。利用光学光学检测法检测法和隧道电流检测法隧道电流检测法，可以测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品的表面形貌的信息。2.样品放置在扫描器上方，扫描器中的压电陶瓷管压电陶瓷管在外加电压的作用下，可以在X、Y和Z方向上独立运动。SPM探头中的激光器发出激光，照射在探针的尖端背面，经反射后，落在光斑位置检测器上。光斑位置检测器上下部分的光强差产生了上下部分的电压差，通过测量这个压差压差，就可以得到光斑位置的变化量。3.3.两种基本的扫描模式两种基本的扫描模式a.a.接触式接触式AFMAFM 在接触模式中，探针的针尖部分保持与样品表面接触。探针在样品表面扫面时，样品表面的原
7、子与微悬臂探针尖端的原子间存在相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，光斑位置检测器上下部分的电压差值也发生改变。反馈电路测量这个差值，通过改变加在扫描器Z方向上的电压，保持这个差值的恒定，计算机记录这个电压，即反映了样品的表面形貌。特点特点：接触模式AFM适合检测表面强度较高、结构 稳定的样品。b.轻敲式轻敲式AFMAFM 在轻敲模式中，用一个外加的振荡信号外加的振荡信号驱动探针在样品表面上方振动。探针振动的振幅探针振动的振幅可以通过光斑位置检测器上下部分的光强差来确定。当探针未逼近样品时，探针在共振频率附近作自由振动；当探针在样品表面扫描
8、时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用，探针的振幅减小。反馈电路测量振幅的变化量，通过改变加在扫描器Z方向上的电压，保持探针振幅的恒定，计算机记录这个电压，即反映了样品的表面形貌。特点特点：该模式下，针尖对样品只有瞬间接触，能有效克服针尖作用力，适合于柔软或吸附样品的检测，但分辨率比接触模式较低。c.VCDc.VCD金属母板金属母板 未记录数据的VCD光碟片有预先做好的轨道轨道，当VCD 光碟片刻录“数据”时，光碟刻录器发出高功率的激光打在VCD光盘片在预刻轨道内，有机染料层吸收激光便在轨道内物理烧出“槽”。我们利用CSPM5000扫描探针显微镜的基本操作模式接触式接触式便可
9、以得到VCD金属母板的表面形貌。然后利用其自带软件分析工具测量VCD金属母板的槽宽槽宽D D和条宽条宽d d。一般光盘的信息槽宽为0.5m，信息槽深为0.11m，信息纹条宽为1.6m。四、实验内容和步骤四、实验内容和步骤1.准备工作准备工作（1）正确选择所需扫描探针并观察接触式和轻敲式两种扫描探针的区别。（2）观看探针安装动画。（3）正确安装所选探针、探针架及扫描器（S2049）。（4）放入待测VCD金属母板样品。2.开机开机（1）开启显微镜机箱总电源；打开对应电脑，开启桌面显微镜主程序。（2）待程序启动完毕后，单击激光按钮，开启激光。（3）调节光路。3.扫描扫描（1）单击系统扫描器设置当前扫
10、描器 (S2049)更新，设置成功。（2）选择对应探针模式（接触模式/轻敲模式）。（3）正确设置所用模式对应各项参数。（具体经验值见附录）（4）进针：单击进针选择自动进针正常进针/精细进针完成（当前电压为0V左右）。（5）单击扫描（如有需要可同时选择双向扫描），显微镜开始扫描。扫描完毕和保存到相应磁盘。4.4.关机关机（1）单击停止，扫描器停止扫描。（2）单击进针选择退针开始退针完成（当前电压为180.00V）。（3）关闭主程序及显微镜机箱总电源。（4）取出探针架、探针和扫描器并将其保存好。（6）关闭电脑，整理各项工具放入工具箱并将仪器归位。5.记录数据记录数据 打开所保存的文件，利用CSPM
11、5000扫描探针显微镜系统自带软件分析工具测量VCD金属母板的槽宽D、和条宽d，每个参数分别测量6次。将结果填入自拟表格自拟表格内。a.槽宽槽宽 D,选取选取6处不同位置分别测量，记录数据处不同位置分别测量，记录数据,保存槽宽测试图片。保存槽宽测试图片。b.b.条宽条宽 d d，选取选取6处不同位置分别测量，记录数据，处不同位置分别测量，记录数据，保存条宽测试图片。保存条宽测试图片。c.c.生成样品表面生成样品表面3D形貌图，并保存。形貌图，并保存。五、数据处理五、数据处理 分别计算VCD金属母板的槽宽D、条宽d的平均值和不确定度，将结果以 的形式表示。（附上测得的样品表面形貌图）六、思考题六、思考题 1、原子力显微镜的工作原理是什么？、原子力显微镜的工作原理是什么？2、采用接触模式时，对待测样品有何要求，、采用接触模式时，对待测样品有何要求，为什么？为什么？次数槽宽d/nm条宽D/nm123456平均值