原子力显微镜.ppt

原子力显微镜
本讲稿第一页，共四十五页
第一代：光学显微镜
16世纪末， 荷兰人Janssen发明了第一台复式显微镜
1665年，英国科学家罗伯特·胡克用他的显微镜发现了细胞
1680年，列文虎克磨制的单片显微减小对样品的损害，对柔软的生物样品特别有利。 (5)稳定的结构。
力检测部分
对针尖性能的要求
本讲稿第十五页，共四十五页
位置检测部分
当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得微悬臂摆动，产生微小的偏转，位置检测系统就是检测该偏转量的大小。
悬臂偏转的检测有四种方法：
(1)电容测量法；
(2)隧道电流检测法；
(3)光学干涉测量法；
(4)光束偏转测量法；
为了得到高分辨的AFM，对检测方式一方面要求具有纳米级的灵敏度，另一方面还要求检测时不应该对微悬臂产生任何附加的作用力，避免造成信号误差。
本讲稿第十六页，共四十五页
电容测量法
微悬臂作为构成平行平板电容器的一块平板之一，而另一块平板则平行地位于微悬臂上方。微悬臂的偏转值将通过测量该电容器的电容值的变化得到。。
位置检测部分
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隧道电流检测法
这种检测法在微悬臂的上方设有一个隧道电极，通过测量微悬臂与隧道电极之间隧道电流的变化就可以检测微悬臂的偏转。
位置检测部分
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光学干涉测量法
利用光学干涉的方法来探测微悬臂共振频率的位移(或偏振光的相移)及微悬臂偏转的幅度。
位置检测部分
本讲稿第十九页，共四十五页
光学偏转测量法
它在微悬臂上的顶部设置了一面微小的镜子，通过检测小镜子上反射光束的偏转就可以得到微悬臂偏转的信息。
位置检测部分
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光学偏转测量法
二极管激光器发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器。通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。目前的AFM都是采用这种检测模式。
位置检测部分
本讲稿第二十一页，共四十五页
反馈电子系统
控制系统主要有两个功能：
(1)提供控制压电转换器X-Y方向扫描的驱动电压；
(2)在恒力模式下维持来自显微镜检测环路输入模拟信号在一恒定数值．计算机通过A/D转换读取比较环路电压(即设定值与实际测量值之差)．根据电压值不同，控制系统不断地输出相应电压来调节Z方向压电传感器的伸缩，以纠正读入A/D转换器的偏差，从而维持比较环路的输出电压恒定。
电子线路
计算机系统
为压电陶瓷管提供电压、接收位置敏感器件传来的信号，并构成控制针尖和样品之间距离的反馈系统。
——连接计算机与扫描系统
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AFM的三种工作模式
1. 接触模式（Contact Mode）
2. 非接触模式（Non-Contact Mode）
3. 轻敲模式（Tapping Mode）
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接触式工作模式
在接触模式中，探针的针尖部分保持与样品表面接触，其主要作用力是库仑排斥力。
微悬臂探针紧压样品表面，探针尖端和样品做柔软性的“实际接触”，当针尖轻轻扫过样品表面时，接触的力量引起悬臂弯曲，进而得到样品的表面图形。
van der Waals force curve
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接触式工作模式的特点
（1）该方式可以稳定地获得高分辨率试样表面微观形貌图像，有可能达到原子级的测量分辨率。
（2）检测弹性模量低的软质试样时，试样表层在针尖力的作用下会产生变形，甚至划伤，这将使测出的表面形貌图像出现假象。
（3）针尖和试样接触并滑行，容易使探针尖磨损甚至损坏。
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非接触式工作模式
针尖在样品表面的上方振动，始终不与样品接触，测量的作用力是以范德华力为主的吸引力。
探针回到当前行扫描的开始点，增加探针与样品之间的距离，根据第一次扫描得到的样品形貌，始终保持探针与样品之间的距离，进行第二次扫描。在这个阶段，可以通过探针悬臂振动的振幅和相位的变化，得到相应的长程力的图像。
van der Waals force curve
范德华吸引力
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非接触式工作模式的特点
（1）探针和试样不接触，针尖测量时不会使试样表面变形，适用于弹性模量低的试样。
（2）因针尖和试样不接触，测量不受毛细力的影响，同时针尖也不易磨损。
（3）非接触扫描测量模式测量灵敏度要低些。
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轻敲工作模式
一个外加的振荡信号驱动微悬臂在其共振频率附近做受迫振动，振荡的针