原子力顯微鏡

1、原子力顯微鏡,小組成員： 陳曦 90513108 劉聃 90513115 蘇炳男 90513123 張志豹 90513118,AFM的發(fā)明與發(fā)展,,顯微鏡的發(fā)展,光學(xué)顯微鏡 高級(jí)顯微鏡,光學(xué)顯微鏡,16世紀(jì)末，荷蘭的眼鏡商Zaccharias Janssen, 第一臺(tái)復(fù)合式顯微鏡，倍數(shù)太低,,Leeuwenhoek磨制的單片顯微鏡的放大倍數(shù)將近300倍,

2、高級(jí)顯微鏡,1938年，德國(guó)工程師Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上第一臺(tái)透射電子顯微鏡（TEM）1952年，英國(guó)工程師Charles Oatley制造出了第一臺(tái)掃描電子顯微鏡（SEM）至此，電子顯微鏡的分辨率達(dá)到納米級(jí),,1983年，IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（STM）應(yīng)用電子的“隧道效應(yīng)”這一原理，對(duì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體進(jìn)行觀測(cè)

3、,隧道效應(yīng)：經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，物體越過(guò)勢(shì)壘，有一閾值能量；粒子能量小于此能量則不能越過(guò)，大于此能量則可以越過(guò)。例如騎自行車(chē)過(guò)小坡，先用力騎，如果坡很低，不蹬自行車(chē)也能靠慣性過(guò)去。如果坡很高，不蹬自行車(chē)，車(chē)到一半就停住，然后退回去。量子力學(xué)則認(rèn)為，即使粒子能量小于閾值能量，很多粒子沖向勢(shì)壘，一部分粒子反彈，還會(huì)有一些粒子能過(guò)去，好像有一個(gè)隧道，故名隧道效應(yīng)（quantum tunneling）?？梢?jiàn)，宏觀上的確定性在微觀上往往就具有

4、不確定性。雖然在通常的情況下，隧道效應(yīng)并不影響經(jīng)典的宏觀效應(yīng)，因?yàn)樗泶茁蕵O小，但在某些特丁的條件下宏觀的隧道效應(yīng)也會(huì)出現(xiàn)。,STM就是運(yùn)用了“隧道效應(yīng)”這一原理，如圖：探針與樣品之間的縫隙就相當(dāng)于一個(gè)勢(shì)壘，電子的隧道效應(yīng)使其可以穿過(guò)這個(gè)縫隙，形成電流，并且電流對(duì)探針與樣品之間的距離十分敏感，因此通過(guò)電流強(qiáng)度就可以知道到探針與樣品之間的距離,,STM的原理是電子的“隧道效應(yīng)”，所以只能測(cè)導(dǎo)體和部分半導(dǎo)體1985年，IBM

5、公司的Binning和Stanford大學(xué)的Quate研發(fā)出了原子力顯微鏡（AFM），彌補(bǔ)了STM的不足,原 理,圖1、原子與原子之間的交互作用力因?yàn)楸舜酥g的距離的不同而有所不同，其之間的能量表示也會(huì)不同。,原子間范德華力,在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中，是利用微小探針與待測(cè)物之間交互作用力，來(lái)呈現(xiàn)待測(cè)物的表面之物理特性。所以在原子力顯微鏡中也利用斥力與吸引力的方式發(fā)展出兩種操作模式：    

6、60;  （1）利用原子斥力的變化而產(chǎn)生表面輪廓為接觸式原子力顯微鏡（contact AFM），探針與試片的距離約數(shù)個(gè)Å。       （2）利用原子吸引力的變化而產(chǎn)生表面輪廓為非接觸式原子力顯微鏡（non-contact AFM），探針與試片的距離約數(shù)十到數(shù)百Å。,在生物醫(yī)學(xué)研究中，最常用的一種模式是敲擊模式（tapping

7、 AFM）：在敲擊模式中，一種恒定的驅(qū)使力使探針懸臂以一定的頻率振動(dòng)。當(dāng)針尖剛接觸樣品時(shí)，懸臂振幅會(huì)減少到某一數(shù)值。在掃描過(guò)程中，反饋回路維持懸臂振幅在這一數(shù)值恒定，也就是說(shuō)作用在樣品上的力恒定，通過(guò)記錄壓電陶瓷管的移動(dòng)得到樣品表面形貌圖。,敲擊模式的優(yōu)越性：敲擊模式盡管沒(méi)有接觸模式的分辨率高，但是敲擊模式在一定程度上減小樣品對(duì)針尖的粘滯現(xiàn)象，因?yàn)獒樇馀c樣品表面接觸時(shí)，利用其振幅來(lái)克服針尖-樣品間的粘附力。并且由于敲擊模式作用力

8、是垂直的，表面材料受橫向摩擦力和剪切力的影響都比較小，減小掃描過(guò)程中針尖對(duì)樣品的損壞。所以對(duì)于較軟以及粘附性較大的樣品，盡量選用敲擊模式。,硬件架構(gòu)：在原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，AFM）的系統(tǒng)中，可分成三個(gè)部分：力檢測(cè)部分、位置檢測(cè)部分、反饋系統(tǒng)。,力檢測(cè)部分：       在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，所要檢測(cè)的力是原子與

9、原子之間的范德華力。所以在本系統(tǒng)中是使用微小懸臂（cantilever）來(lái)檢測(cè)原子之間力的變化量。這微小懸臂有一定的規(guī)格，例如：長(zhǎng)度、寬度、彈性系數(shù)以及針尖的形狀，而這些規(guī)格的選擇是依照樣品的特性，以及操作模式的不同，而選擇不同類(lèi)型的探針。,位置檢測(cè)部分：       在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，當(dāng)針尖與樣品之間有了交互作用之后，會(huì)使得懸臂（cantileve

10、r）擺動(dòng)，所以當(dāng)激光照射在cantilever的末端時(shí)，其反射光的位置也會(huì)因?yàn)閏antilever擺動(dòng)而有所改變，這就造成偏移量的產(chǎn)生。在整個(gè)系統(tǒng)中是依靠激光光斑位置檢測(cè)器將偏移量記錄下并轉(zhuǎn)換成電的信號(hào)，以供控制器作信號(hào)處理。,反饋系統(tǒng)：       在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，將信號(hào)經(jīng)由激光檢測(cè)器取入之后，在反饋系統(tǒng)中會(huì)將此信號(hào)當(dāng)作反饋信號(hào)，作為內(nèi)部的調(diào)整信

11、號(hào)，并驅(qū)使通常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當(dāng)?shù)囊苿?dòng)，以保持樣品與針尖保持合適的作用力。,原子力顯微鏡（AFM）便是結(jié)合以上三個(gè)部分來(lái)將樣品的表面特性呈現(xiàn)出來(lái)的：在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，使用微小懸臂（cantilever）來(lái)感測(cè)針尖與樣品之間的交互作用，測(cè)得作用力。這作用力會(huì)使cantilever擺動(dòng)，再利用激光將光照射在cantilever的末端，當(dāng)擺動(dòng)形成時(shí)，會(huì)使反射光的位置改變而造成偏移量，此時(shí)激光檢測(cè)器會(huì)記錄此偏移量，也

12、會(huì)把此時(shí)的信號(hào)給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，最后再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現(xiàn)出來(lái)。,,,,,原子力顯微鏡的應(yīng)用AFM可以滿(mǎn)足多種不同樣品的要求，用于多種系統(tǒng)的成像量子點(diǎn)生物分子多聚體單體的自組裝,沉積于云母片上的抗體分子的 AFM成像。空氣中，室溫。由于抗 體分子沉積于支持物的方向不同， 而表現(xiàn)出幾種形態(tài)。,原子力顯微鏡對(duì)金的觀測(cè),,煙草花葉病毒掃描圖,AFM的缺點(diǎn),受樣品因素限制較大（不可避免）針尖易磨