原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope ,AFM�,一種可用來研究包括絕緣體在內的固體材料表面結構的分析儀器。它通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質的表面結構及性質。將一對微弱力極端敏感的微懸臂一端固�,另一端的微小針尖接近樣品,這時它將與其相互作用,作用力將使得微懸臂�(fā)生形變或運動狀�(tài)�(fā)生變�。掃描樣品時,利�傳感�檢測這些變化,就可獲得作用力分布信息,從而以納米�分辨�獲得表面形貌結構信息及表面粗糙度信息�
原子力顯微鏡(atomic force microscope,簡稱AFM)利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細探針與受測樣品原子之間的作用�,從而達到檢測的目的,具有原子級的分辨率。由于原子力顯微鏡既可以觀察導體,也可以觀察非導體,從而彌補了掃描隧道顯微鏡的不足。原子力顯微鏡是由IBM公司蘇黎世研究中心的格爾德·賓寧于一九八五年所�(fā)明的,其目的是為了使非導體也可以采用類似掃描探針顯微鏡(SPM)的觀測方�。原子力顯微鏡(AFM)與掃描隧道顯微鏡(STM)的差別在于并非利用電子隧穿效應,而是檢測原子之間的接�,原子鍵合,范德瓦耳斯力或卡西米爾效應等來呈現樣品的表面特��
原子力顯微鏡的基本原理是:將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定,另一端有一微小的針�,針尖與樣品表面輕輕接觸,由于針尖原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力,通過在掃描時控制這種力的恒定,帶有針尖的微懸臂將對應于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運動。利用光學檢測法或隧道電流檢測法,可測得微懸臂對應于掃描各點的位置變�,從而可以獲得樣品表面形貌的信息。我們以激光檢測原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection,Laser-AFM)來詳細說明其工作原��
�(yōu)�
相對于掃描電子顯微鏡,原子力顯微鏡具有許多優(yōu)�。不同于電子顯微鏡只能提供二維圖像,AFM提供真正的三維表面圖。同�,AFM不需要對樣品的任何特殊處�,如鍍銅或碳,這種處理對樣品會造成不可逆轉的傷�。第�,電子顯微鏡需要運行在高真空條件下,原子力顯微鏡在常壓下甚至在液體�(huán)境下都可以良好工�。這樣可以用來研究生物宏觀分子,甚至活的生物組�。原子力顯微鏡與掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope)相�,由于能觀測非導電樣品,因此具有更為廣泛的適用�。當前在科學研究和工�(yè)界廣泛使用的掃描力顯微鏡,其基礎就是原子力顯微鏡�
缺點
和掃描電子顯微鏡(SEM)相比,AFM的缺點在于成像范圍太�,速度慢,受探頭的影響太大�
儀器結�
在原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy,AFM)的系統�,可分成三個部分:力檢測部�、位置檢測部�、反饋系��
力檢測部�
在原子力顯微鏡(AFM)的系統中,所要檢測的力是原子與原子之間的范德華力。所以在本系統中是使用微小懸臂(cantilever)來檢測原子之間力的變化�。微懸臂通常由一個一�100~500μm長和大約500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制�。微懸臂頂端有一個尖銳針�,用來檢測樣品-針尖間的相互作用�。這微小懸臂有一定的�(guī)格,例如:長�、寬�、彈性系數以及針尖的形狀,而這些�(guī)格的選擇是依照樣品的特�,以及操作模式的不同,而選擇不同類型的探針�
位置檢測部分
在原子力顯微鏡(AFM)的系統�,當針尖與樣品之間有了交互作用之后,會使得懸臂cantilever擺動,當激光照射在微懸臂的末端�,其反射光的位置也會因為懸臂擺動而有所改變,這就造成偏移量的產生。在整個系統中是依靠激光光斑位置檢測器將偏移量記錄下并轉換成電的信�,以供SPM控制器作信號處理�
反饋系統
在原子力顯微鏡(AFM)的系統�,將信號經由激光檢測器取入之后,在反饋系統中會將此信號當作反饋信號,作為內部的調整信號,并驅使通常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當的移動,以保持樣品與針尖保持一定的作用��
總結
AFM系統使用壓電陶瓷管制作的掃描器精確控制微小的掃描移動。壓電陶瓷是一種性能奇特的材�,當在壓電陶瓷對稱的兩個端面加上電壓時,壓電陶瓷會按特定的方向伸長或縮�。而伸長或縮短的尺寸與所加的電壓的大小成線性關�。即可以通過改變電壓來控制壓電陶瓷的微小伸縮。通常把三個分別代表X,Y,Z方向的壓電陶瓷塊組成三角架的形狀,通過控制X,Y方向伸縮達到驅動探針在樣品表面掃描的目的;通過控制Z方向壓電陶瓷的伸縮達到控制探針與樣品之間距離的目��
原子力顯微鏡(AFM)便是結合以上三個部分來將樣品的表面特性呈現出來的:在原子力顯微鏡(AFM)的系統中,使用微小懸臂(cantilever)來感測針尖與樣品之間的相互作用,這作用力會使微懸臂擺�,再利用激光將光照射在懸臂的末�,當擺動形成�,會使反射光的位置改變而造成偏移量,此時激光檢測器會記錄此偏移�,也會把此時的信號給反饋系統,以利于系統做適當的調整,再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現出來�
原子力顯微鏡的工作模式是以針尖與樣品之間的作用力的形式來分類的。主要有以下3種操作模式:接觸模式(contact mode) ,非接觸模式� non - contact mode) 和敲擊模�( tapping mode)�
接觸模式
從概念上來理�,接觸模式是AFM最直接的成像模�。AFM 在整個掃描成像過程之�,探針針尖始終與樣品表面保持緊密的接觸,而相互作用力是排斥力。掃描時,懸臂施加在針尖上的力有可能破壞試樣的表面結構,因此力的大小范圍�10 - 10�10 - 6 N。若樣品表面柔嫩而不能承受這樣的力,便不宜選用接觸模式對樣品表面進行成像�
非接觸模�
非接觸模式探測試樣表面時懸臂在距離試樣表面上�5�10 nm 的距離處振蕩。這時,樣品與針尖之間的相互作用由范德華力控制,通常�10 - 12 N ,樣品不會被破壞,而且針尖也不會被污染,特別適合于研究柔嫩物體的表�。這種操作模式的不利之處在于要在室溫大氣環(huán)境下實現這種模式十分困難。因為樣品表面不可避免地會積聚薄薄的一層水,它會在樣品與針尖之間搭起一小小的毛細橋,將針尖與表面吸在一�,從而增加對表面的壓��
敲擊模式
敲擊模式介于接觸模式和非接觸模式之間,是一個雜化的概念。懸臂在試樣表面上方以其共振頻率振蕩,針尖僅僅是周期性地短暫地接�/ 敲擊樣品表面。這就意味著針尖接觸樣品時所產生的側向力被明顯地減小�。因此當檢測柔嫩的樣品時,AFM的敲擊模式是的選擇之一。一旦AFM開始對樣品進行成像掃描,裝置隨即將有關數據輸入系統,如表面粗糙�、平均高度、峰谷峰頂之間的距離等,用于物體表面分析。同�,AFM 還可以完成力的測量工作,測量懸臂的彎曲程度來確定針尖與樣品之間的作用力大��
三種模式的比�
接觸模式(Contact Mode):
�(yōu)點:掃描速度�,是能夠獲得“原子分辨率”圖像的AFM垂直方向上有明顯變化的質硬樣�,有時更適于用Contact Mode掃描成像�
缺點:橫向力影響圖像質量。在空氣�,因為樣品表面吸附液層的毛細作用,使針尖與樣品之間的粘著力很�。橫向力與粘著力的合力導致圖像空間分辨率降低,而且針尖刮擦樣品會損壞軟質樣品(如生物樣�,聚合體等)�
非接觸模式:
�(yōu)點:沒有力作用于樣品表面�
缺點:由于針尖與樣品分離,橫向分辨率�;為了避免接觸吸附層而導致針尖膠粘,其掃描速度低于Tapping Mode和Contact Mode AFM。通常僅用于非常怕水的樣�,吸附液層必須薄,如果太�,針尖會陷入液層,引起反饋不�(wěn),刮擦樣品。由于上述缺�,on-contact Mode的使用受到限��
輕敲模式�
�(yōu)點:很好的消除了橫向力的影響。降低了由吸附液層引起的�,圖像分辨率�,適于觀測軟、易�、或膠粘性樣品,不會損傷其表��
缺點:比Contact Mode AFM 的掃描速度慀�
其他模式
除了上面三種常見的三種工作模式外,原子力顯微鏡還可以進行下面的工作:
1、橫向力顯微鏡(LFM�
橫向力顯微鏡(LFM)是在原子力顯微鏡(AFM)表面形貌成像基礎上�(fā)展的新技術之一。工作原理與接觸模式的原子力顯微鏡相�。當微懸臂在樣品上方掃描�,由于針尖與樣品表面的相互作�,導致懸臂擺動,其擺動的方向大致有兩個:垂直與水平方�。一般來�,激光位置探測器所探測到的垂直方向的變化,反映的是樣品表面的形�(tài),而在水平方向上所探測到的信號的變化,由于物質表面材料特性的不同,其摩擦系數也不�,所以在掃描的過程中,導致微懸臂左右扭曲的程度也不同,檢測器根據激光束在四個象限中,(A+C�-(B+D)這個強度差值來檢測微懸臂的扭轉彎曲程度。而微懸臂的扭轉彎曲程度隨表面摩擦特性變化而增減(增加摩擦力導致更大的扭轉�。激光檢測器的四個象限可以實時分別測量并記錄形貌和橫向力數據�
2、曲線測�
SFM除了形貌測量之外,還能測量力對探�-樣品間距離的關系曲線Zt(Zs�。它幾乎包含了所有關于樣品和針尖間相互作用的必要信息。當微懸臂固定端被垂直接近,然后離開樣品表面�,微懸臂和樣品間產生了相對移動。而在這個過程中微懸臂自由端的探針也在接�、甚至壓入樣品表�,然后脫離,此時原子力顯微鏡(AFM)測量并記錄了探針所感受的力,從而得到力曲線。Zs是樣品的移動,Zt是微懸臂的移�。這兩個移動近似于垂直于樣品表靀用懸臂彈性系數c乘以Zt,可以得到力F=c·Zt。如果忽略樣品和針尖彈性變�,可以通過s=Zt-Zs給出針尖和樣品間相互作用距離s。這樣能從Zt(Zs)曲線決定出�-距離關系F(s)。這個技術可以用來測量探針尖和樣品表面間的排斥力或長程吸引力,揭示定域的化學和機械性質,像粘附力和彈力,甚至吸附分子層的厚�。如果將探針用特定分子或基團修飾,利用力曲線分析技術就能夠給出特異結合分子間的力或鍵的強度,其中也包括特定分子間的膠體力以及疏水力、長程引力等�
3、納米加�
掃描探針納米加工技術是納米科技的核心技術之一,其基本的原理是利用SPM的探針-樣品納米可控定位和運動及其相互作用對樣品進行納米加工操縱,常用的納米加工技術包括:機械刻蝕、電�/場致刻蝕、浸潤筆(Dip-Pen Nano-lithography,DNP)等�
原子力顯微鏡研究對象可以是有機固�、聚合物以及生物大分子等,樣品的載體選擇范圍很大,包括云母片、玻璃片、石墨、拋光硅�、二氧化硅和某些生物膜等,其中最常用的是新剝離的云母�,主要原因是其非常平整且容易處理。而拋光硅片要用濃硫酸�30%雙氧水的7�3 混合液在90 ℃下�1h。利用電性能測試時需要導電性能良好的載�,如石墨或鍍有金屬的基片�
試樣的厚�,包括試樣臺的厚�,為10 mm。如果試樣過�,有時會影響Scanner的動作,請不要放過重的試�。試樣的大小以不大于試樣臺的大小(直�20 mm)為大致的標�。稍微大一點也沒問題。但�,值約�40 mm。如果未固定好就進行測量可能產生移位。請固定好后再測��
隨著科學技術的�(fā)�,生命科學開始向定量科學方向�(fā)�。大部分實驗的研究重點已經變成生物大分子,特別是核酸和蛋白質的結構及其相關功能的關系。因為AFM的工作范圍很�,可以在自然狀�(tài)(空氣或者液體)下對生物�(yī)學樣品直接進行成像,分辨率也很�。因此,AFM已成為研究生物醫(yī)學樣品和生物大分子的重要工具之一。AFM應用主要包括三個方面:生物細胞的表面形�(tài)觀測;生物大分子的結構及其他性質的觀測研�;生物分子之間力譜曲線的觀測�
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