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原子力显微镜实验课件
原子力显微镜(AFM)的应用 原子力显微镜发展史 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: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。 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 米。 原子力显微镜发展史 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 原子时代 20 世纪80 年代德裔物理学家葛·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,SPM)是 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。 特点:扫描探针显微镜分辨率极高(原子级分辨率)、实时、实空间、原位成像,对样品无特殊要求(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(Atomic Force Microscope ,AFM): 它是SPM最重要的发展,是一种利用原子间的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。 原子力显微镜发展史 一、实验目的 1. 学习和了解原子力显微镜的原理和结构。 2. 学习原子力显微镜的操作和调试过程,并以之 来观测样品的表面形貌。 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 1.原子力显微镜是将一个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(10-8~10-6N),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。利用光学检测法和隧道电流检测法,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,就可以得到光斑位置的变化量。 3.两种基本的扫描模式 a.接触式AFM 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,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: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AFM? 在轻敲模式中,用一个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
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