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,光學顯微鏡 高級顯微鏡,光學顯微鏡,16世紀末，荷蘭的眼鏡商Zaccharias Janssen, 第一臺復合式顯微鏡，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、高級顯微鏡,1938年，德國工程師Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上第一臺透射電子顯微鏡（TEM）1952年，英國工程師Charles Oatley制造出了第一臺掃描電子顯微鏡（SEM）至此，電子顯微鏡的分辨率達到納米級,,1983年，IBM公司蘇黎世實驗室的兩位科學家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（STM）應用電子的“隧道效應”這一原理，對導體或半導體進行觀測

3、,隧道效應：經(jīng)典物理學認為，物體越過勢壘，有一閾值能量；粒子能量小于此能量則不能越過，大于此能量則可以越過。例如騎自行車過小坡，先用力騎，如果坡很低，不蹬自行車也能靠慣性過去。如果坡很高，不蹬自行車，車到一半就停住，然后退回去。量子力學則認為，即使粒子能量小于閾值能量，很多粒子沖向勢壘，一部分粒子反彈，還會有一些粒子能過去，好像有一個隧道，故名隧道效應（quantum tunneling）?？梢姡暧^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，隧道效應并不影響經(jīng)典的宏觀效應，因為隧穿幾率極小，但在某些特丁的條件下宏觀的隧道效應也會出現(xiàn)。,STM就是運用了“隧道效應”這一原理，如圖：探針與樣品之間的縫隙就相當于一個勢壘，電子的隧道效應使其可以穿過這個縫隙，形成電流，并且電流對探針與樣品之間的距離十分敏感，因此通過電流強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”，所以只能測導體和部分半導體1985年，IBM

5、公司的Binning和Stanford大學的Quate研發(fā)出了原子力顯微鏡（AFM），彌補了STM的不足,原 理,圖1、原子與原子之間的交互作用力因為彼此之間的距離的不同而有所不同，其之間的能量表示也會不同。,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物之間交互作用力，來呈現(xiàn)待測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。當針尖剛接觸樣品時，懸臂振幅會減少到某一數(shù)值。在掃描過程中，反饋回路維持懸臂振幅在這一數(shù)值恒定，也就是說作用在樣品上的力恒定，通過記錄壓電陶瓷管的移動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針尖的粘滯現(xiàn)象，因為針尖與樣品表面接觸時，利用其振幅來克服針尖-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，減小掃描過程中針尖對樣品的損壞。所以對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：在原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，AFM）的系統(tǒng)中，可分成三個部分：力檢測部分、位置檢測部分、反饋系統(tǒng)。,力檢測部分：       在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，所要檢測的力是原子與

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）來檢測原子之間力的變化量。這微小懸臂有一定的規(guī)格，例如：長度、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，而選擇不同類型的探針。,位置檢測部分：       在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，當針尖與樣品之間有了交互作用之后，會使得懸臂（cantileve

10、r）擺動，所以當激光照射在cantilever的末端時，其反射光的位置也會因為cantilever擺動而有所改變，這就造成偏移量的產(chǎn)生。在整個系統(tǒng)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號，以供控制器作信號處理。,反饋系統(tǒng)：       在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，將信號經(jīng)由激光檢測器取入之后，在反饋系統(tǒng)中會將此信號當作反饋信號，作為內(nèi)部的調(diào)整信

11、號，并驅(qū)使通常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當?shù)囊苿?，以保持樣品與針尖保持合適的作用力。,原子力顯微鏡（AFM）便是結合以上三個部分來將樣品的表面特性呈現(xiàn)出來的：在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，使用微小懸臂（cantilever）來感測針尖與樣品之間的交互作用，測得作用力。這作用力會使cantilever擺動，再利用激光將光照射在cantilever的末端，當擺動形成時，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量，也

12、會把此時的信號給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當?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。,,,,,原子力顯微鏡的應用AFM可以滿足多種不同樣品的要求，用于多種系統(tǒng)的成像量子點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?？諝庵?，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)。,原子力顯微鏡對金的觀測,,煙草花葉病毒掃描圖,AFM的缺點,受樣品因素限制較大（不可避免）針尖易磨