原子力显微镜PPT课件.ppt
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1、原子力显微镜 固体材料实验方法1982 年,Gerd Binnig 和Heinrich Rohrer 共同研制成功了第一台扫描隧道显微镜( scanning tunneling microscope ,STM), 1986 年,Binnig 和Rohrer 被授予诺贝尔物理学奖。这些显微技术都是利用探针与样品的不同相互作用,来探测表面或界面在纳米尺度上表现出的物理性质和化学性质。 原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由Binnig与史丹佛大学的Quate 于一九八五年所发明的AFM的优点STM 的探针是由针尖与样品之间的隧道电流的变化决定的, STM要求样
2、品表面能够导电,只能直接观察导体和半导体的表面结构。 对于非导电的物质则要求样品覆盖一层导电薄膜,但导电薄膜的粒度和均匀性难以保证,且掩盖了物质表面的细节。原子力显微镜利用原子之间的范德华力来呈现样品的表面特性。因此,AFM 除导电样品外,还能够观测非导电样品的表面结构,且不需要用导电薄膜覆盖,其应用领域将更为广阔。v原子级的高分辨率AFM的三大特点光学显微镜的放大倍数一般都超不过1000倍;电子显微镜的放大倍数极限为100万倍;而AFM的放大倍数能高达10亿倍,v观察活的生命样品电子显微镜的样品必须进行固定、脱水、包埋、切片、染色等一系列处理,因此电子显微镜只能观察死的细胞或组织的微观结构;
3、 原子力显微镜的样本可以是生理状态的各种物质,在大气条件或溶液中都能进行,因而只需很少或不需对样品作前期处理,这样,就使AFM能观察任何活的生命样品及动态过程。v加工样品的力行为测试样品的硬度和弹性等;AFM还能产生和测量电化学反应。AFM还具有对标本的分子或原子进行加工的力行为,例如:可搬移原子,切割染色体,在细胞膜上打孔等等。3.1 原子力显微镜简介2. 原子力显微镜的基本工作原理 试件微悬臂和探针压电扫描器显示器计算机及控制器激光探测器STM探针 AFM 探针 STM 驱动 AFM 扫描驱动 试件 微悬臂 立式AFM ( Hansma等, 1988 ) 原子力显微镜后来又经过多次改进,现
4、代的AFM不仅有原子级的分辨率(纵向0.01nm,横向0.1 nm),针尖对试件的作用力极小,基本不划伤试件,能测量软质试件,而且具有多项新的测量功能 3. 原子力显微镜的总体结构组成 3.2 原子力显微镜的测量和扫描模式1. AFM检测的要求 探针尖和试件表面非常接近时,二者间的作用力极为复杂,有原子(分子、离子)间的排斥力(库仑力)、吸引力(范德华力)、磁力、静电力、摩擦力(接触时)、粘附力、毛细力等。AFM的检测成像用的是原子(分子、离子)间的排斥力(接触测量)或吸引力(非接触测量),而其他各种作用力对AFM的检测成像并无帮助,而只是起干扰影响作用。 2. 作用力的检测模式 1) 恒力测
5、量模式;2) 测量微悬臂形变量的测量模式; 3) 恒力梯度测量模式;4) 力梯度测量模式。 AFM的三种扫描成像模式 3. AFM检测时的扫描成像模式 AFM检测试件表面微观形貌时,现在采用三种不同的扫描成像模式:1)接触扫描成像模式(contact mode),2)非接触扫描成像模式或抬高扫描成像模式(non-contact mode或 lift mode), 3)轻敲扫描成像模式(tapping mode) 1)接触扫描成像模式 该方式所感知的力是接触原子的外层电子相互排斥的库仑力,这相互排斥的库仑力大小在1081011 N。该方式可以稳定地获得高分辨率试件表面微观形貌图像,有可能达到原子
6、级的测量分辨率。其缺点如下:(1)检测弹性模量低的软质试件时,试件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。(2)在大气条件下,多数试件表面都吸附着覆盖层(凝集水蒸气,有机污染物,氧化层等),厚度一般为几nm。当探针尖接触这吸附层时,毛细现象会使吸附层下凹,或粘附到针尖上,引起额外的粘附力,增加了总的作用力,造成了检测成像的畸变。(3)针尖和试件接触并滑行,容易使探针尖磨损甚至损坏。 2)非接触扫描成像模式 非接触扫描模式测量时,测量的作用力是以范德华力为主的吸引力,针尖试件间距离大致在520 nm。 非接触扫描测量模式的主要优点, 是探针和试件不接触,针尖测
7、量时不会使试件表面变形,适用于弹性模量低的试件,此外因针尖和试件不接触,测量不受毛细力的影响,同时针尖也不易磨损。但非接触扫描测量模式测量灵敏度要低些。 AFM轻敲扫描针尖振荡示意图 3)轻敲扫描成像模式 3.3 探针与试件间的作用力 1. 探针与试件间的各种作用力 1)各种长程力和短程力 作用力作用力举例举例相互作用距离相互作用距离 长长程程力力磁力磁力生物铁磁体生物铁磁体0.1m磁畴磁畴107m静电力静电力针类针类试件间电容试件间电容107m毛细力毛细力玻璃上水膜玻璃上水膜103m针尖和试件间凹面针尖和试件间凹面109m液固界面力液固界面力107m范德华力范德华力针尖一试件间(针尖一试件间
8、(RZ)108m 短短程程力力粘附力粘附力跳跃接触跳跃接触109m排斥力排斥力针尖试件接触针尖试件接触1010m弱相互作用力弱相互作用力1015m强相互作用力强相互作用力1015m探针试件间距离在10 m左右时,空气阻尼力探针试件间距离在1001000nm时,主要静电力和磁力相互作用探针试件间距离在10100nm处,吸附水膜产生几百nN吸引力的毛细力针尖试件距离到达10 nm左右时 ,原子(分子、离子)间吸引的范德华力针尖试件间距离小到1 nm以内时,原子间相互排斥的厍仑力开始起作用 2)探针尖接近试件过程中发生作用的各种力 3)AFM测量时利用的相互作用力 在接触测量时,检测的是它们间的相互
9、排斥力;在非接触测量时,检测的是它们间的相互吸引力 4)针尖试件间其他作用力及其应用于各种扫描力显微镜 针尖试件间相互作用的磁力,可制成检测材料磁性能的磁力显微镜(MFM);针尖试件间相互作用的静电力,可制成检测材料表面电场电势的静电力显微镜(EFM);探针试件接触滑行时的摩擦力,可制成研究材料摩擦磨损行为的摩擦力显微镜(FFM); 2. AFM工作时针尖试件间的相互作用力 石墨H位上的两种电荷密度分布1)相互排斥的库仑力和相互吸引的范德华力 (1)原子间的排斥力 原子(分子)间的排斥力是由于原子外面的电子云相互排斥而产生的,原子间的排斥力是很强的,在AFM测量时排斥力在1081011N数量级
10、,是短程的相互作用力,作用距离在1010m,随距离增加排斥力迅速衰减。 (2)原子间的相互吸引力 原子(分子)间相互吸引的范德华力, 是原子或分子靠近时产生相互极化而产生的微弱引力。属长程力,作用距离可达108 m以上。 范德华力,由三部分组成:(1) 偶极偶极相互作用力,即两个偶极子之间的作用力;(2) 偶极感应偶极间的相互作用力,同被它感应的偶极子间的相互作用力;(3) 色散力,它存于中性的原子或分子间。这些中性的原子或分 子的时间平均偶极矩为零,但是由于电子不断围绕原子核运 动,在某一瞬间可能产生一定的偶极矩,使得中性原子或分 子之间产生瞬时间偶极矩作用,从而产生了色散力。 Fv = 2
11、16zARHamaker常数A是决定范德华作用能大小的关键性参数 2)针尖试件原子间作用力和距离的关系 针尖试件原子间作用力和距离的关系 Al针尖和Al试件距离不同时相互作用力3)针尖和试件“接触”的概念 当两物体逐渐接近到二者之间的相互作用合力为“零”的临界点时,这两物体被认为开始接触。即两物体之间相互作用的合力是排斥力时,这两物体是被认为相互接触的; 两物体之间相互作用的合力是吸引力时,这两物体是被认为相互不接触的。 4)AFM的接触测量和不接触测量 不易用于测量3. 悬臂针尖试件相互作用的动力学分析 1)针尖试件相互作用的势能 )(4)(661212rrrur两原子间距离两原子间作用能的
12、系数在u (r)= 0时的两原子间距离 210132)(775212zzRzu针尖试件间距离为z的总势能 30132)()(88224212zzRzzuzF15243)()(99333212zzRzzFzF3.4 毛细力和AFM在液体中测量 1. 试件表面的吸附层 物理吸附化学吸附亲水疏水2. 毛细力及其对AFM测量的影响 rRhFa/2在R = 50100 nm,相对湿度在4080时,毛细力大约在几十nN数量级。 3. 液体中针尖试件间的相互作用力 探针和试件都浸入液体内进行测量时,可以完全消除毛细现象,因此可不受毛细力的干扰,使测量时的作用力大大减小,而且可以:1)检测软质试件;2)可以观
13、察检测活的生物细胞;3)可以观察研究“固液界面” 。 现在还不能完全控制AFM在液体中不同条件时的针尖试件间的相互作用力,作用机理也不完全清楚。但AFM在液体中测量时,因消除了毛细力,可以使针尖试件间的作用力,比在真空中测量降低两个数量级。这对检测柔软生物细胞,低弹性模量的软质材料极为重要。 4. 在液体中AFM的检测 水下Au(111)的AFM图像(Manne,1990)原子分辨率的起伏幅度约1 。 DNA的AFM图像(Digital Instruments)3. 5 影响AFM测量精度的若干问题分析 1. 探针作用力引起的试件表面变形 2. 微悬臂对测量结果的影响 11111sgtckkk
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