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AFM原子力显微镜
发表时间:2019-10-28     阅读次数:     字体:【

AFM全称Atomic Force Microscope,即原子力显微镜,它是继扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器,可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测,或者直接进行纳米操纵;现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研究和科研院所各种纳米相关学科的研究实验等领域中,成为纳米科学研究的基本工具。

原理

当原子间距离减小到一定程度以后,原子间的作用力将迅速上升。因此,由显微探针受力的大小就可以直接换算出样品表面的高度,从而获得样品表面形貌的信息。

分类

01轻敲模式 AFM

通过使用处于振动状态的探针针尖对样品表面进行敲击来生成形貌图 像。扫描过程中,探针悬臂的振幅随样品表面形貌的起伏而变化,从而反映出形貌的起伏。其优点是消除了会对样品造成损伤并降低图像分辨率的横向力影响,并且可以不受在常见成 像环境下样品表面附着的水膜的影响。缺点是扫描速度比接触模式稍微慢一些。

02接触模式 AFM

探针针尖始终与样品保持接触。针尖位于弹性系数很低的悬臂末端。当扫描管引导针尖在样品上方扫过(或样品在针尖下方移动)时, 接触作用力使悬臂发生 弯曲,从而反映出形貌的起伏。其优点是可以达到很高的分辨率,缺点是有可能对样品表面 造成损坏,横向的剪切力和表面的毛细力都会影响成像。

03非接触模式 AFM

成像时,探针悬臂在样品表面附近处于振动状态。针尖与样品的间 距通常在几个纳米以内,在这一区域中针尖和样品原子间的相互作用力表现为范德华吸引 力。其优点是对样品表面没有损伤,缺点是分辨率低,扫描速度慢,为了避免被样品表面的 水膜黏住,往往只用于扫描疏水表面。

04扭转共振模式 AFM

悬臂以长轴为中心做扭转振动,并引发针尖处于抖动状态。当针尖在样品表面遇到横向作用力时,系统可以检测到悬臂扭转振动的变化,来探测样品表 面形貌的起伏。其优点是振幅小因此对样品的损伤小,分辨率高,缺点是会受到表面毛细力的影响。

05PeakForce Tapping AFM

采用2kHz 的频率在整个表面做力曲线,利用峰值力做反馈,通过扫描管的移动来保持探针和 样品之间的峰值力恒定,从而反映出表面形貌。其优点是直接用力做反馈使得探针和样品间 的相互作用可以很小,这样就能够对很黏很软的样品成像;同时,使用力直接作为反馈,可以直接定量得到表面的力学信息。

优点

原子力显微镜的出现无疑为纳米科技的发展起到了推动作用。以原子力显微镜为代表的扫描探针显微镜是利用一种小探针在样品表面上扫描,从而提供高放大倍率观察的一系列显微镜的总称。原子力显微镜扫描能提供各种类型样品的表面状态信息。与常规显微镜比较,原子力显微镜的优点是在大气条件下,以高倍率观察样品表面,可用于几乎所有样品(对表面光洁度有一定要求),而不需要进行其他制样处理,就可以得到样品表面的三维形貌图象。并可对扫描所得的三维形貌图象进行粗糙度计算、厚度、步宽、方框图或颗粒度分析。

01

高分辨力能力远远超过扫描电子显微镜(SEM),以及光学粗糙度仪。样品表面的三维数据满足了研究、生产、质量检验越来越微观化的要求。

02

非破坏性,探针与样品表面相互作用力为10-8N以下,远比以往触针式粗糙度仪压力小,因此不会损伤样品,也不存在扫描电子显微镜的电子束损伤问题。另外扫描电子显微镜要求对不导电的样品进行镀膜处理,而原子力显微镜则不需要。

03

应用范围广,可用于表面观察、尺寸测定、表面粗糙测定、颗粒度解析、突起与凹坑的统计处理、成膜条件评价、保护层的尺寸台阶测定、层间绝缘膜的平整度评价、VCD涂层评价、定向薄膜的摩擦处理过程的评价、缺陷分析等。

04

软件处理功能强,其三维图象显示其大小、视角、显示色、光泽可以自由设定。并可选用网络、等高线、线条显示。图象处理的宏管理,断面的形状与粗糙度解析,形貌解析等多种功能。

仪器设备

型号:德国布鲁克Dimension ICON

参数:XY方向扫描范围90*90um,垂直方向扫描范围10um,样品尺寸小于210mm,厚度小于15mm,可持续稳定得到原子级分辨率,智能扫描功能(Scan Asyst)。

功能:表面形貌(粗糙度)、成分分辨、具备接触、轻敲、peakforce等多种模式、形貌像、摩擦力图像、定量相位图像、表面局域电场力、磁场力、表面电势以及导电性、电场力及磁场力图像、表面电势可分辨表面两点电势差绝对值,分辨率10mV,导电原子力显微镜(CAFM)可测量IV曲线,表征表面局域导电性。可测PFM、EFM、KFM、MFM、CAFM。

 
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