原子力显微镜简介 - 中国科学院物理研究所

国家自然科学基金委员会 

数理学部实验物理讲习班 

原子力显微镜简介 

杨延莲 

国家纳米科学中心 

2007.3.30



1. 原子力显微镜的发展历史 

2. 原子力显微镜的基本原理 

3. 原子力显微镜的要素 

4. 原子力显微镜的操作模式 

5. 原子力显微镜的针尖卷积效应与图像假像 

6. 原子力显微镜的应用进展 

• 三维扫描控制 

• 控制电路 

• 振荡隔离系统 

• 微悬臂形变检测方法 

• 微悬臂的设计思想及制作方法 

• 基本成像模式 

• 派生成像模式 

• 谱学模式



原子力显微镜的发展历史



m 

10 -3 

10 -6 

10 -9 

mm 

μm 

nm 

肉眼可见 

光学显微镜 

扫描电镜 

扫描探针显微镜



扫描隧道显微镜(STM)的发明和原理 

1982年,IBM苏黎世实验室的G. Binnig博士 

和H. Rohrer博士及其同事们发明了STM 

扫 

描 

示 

意 

图 

一 

次 

扫 

描 

Z 

扫描 

I 

I 

扫描 

I



氙原子在镍(110)表面 

排成的最小IBM商标 

铁原子在铜(111)表面 

排成的汉字 

铂表面上一氧化碳分子 

排成的“纳米人” 

铜(111)表面上的铁原子量子围栏 

搬走原子写“中国”



原子力显微镜(AFM)的发明 

由于STM是利用隧道电流进行表面形貌及表面电子结构性质 

的研究,所以只能直接对导体和半导体样品进行研究,不能 

用来直接观察和研究绝缘体样品和有较厚氧化层的样品。 

1986年Binnig、Quate和Gerber发明了第一台原子力显 

微镜 

1987年Quate等人获得了高定向热解石墨(HOPG)的 

高分辨原子图像 

1987年, Quate等人获得了高定向热解氮化硼 

(HOPBN)表面的高分辨原子图像,其中HOPBN是第一个 

用AFM获得原子分辨图像的绝缘体。



原子力显微镜的派生功能 

摩擦力显微镜(FFM) 

磁力显微镜(MFM) 

导电AFM(CAFM) 

静电力显微镜(EFM ) 

表面电势成像(SP imaging) 

扫描电化学显微镜(SECM) 

扫描电容显微镜(SCM) 

扫描热显微镜(SThM) 

这些新型的显微镜,都利用了反馈回路通过针尖和样品的某种作 

用(光、电、热、磁、力等)来控制针尖在距表面一定距离处扫 

描,从而获得表面的各种信息。



原子力显微镜的基本原理



AFM利用的基本原理 

在原子力显微镜的系统中,是 

利用微小探针与待测物之间的 

相互作用力,来研究待测物表 

面的形貌和物理化学特性。 

间歇接触 

有几种典型的相互作用 

力可以作为AFM的检测 

信号:范德华力,静电 

力、磁力等



扫 

描 

示 

意 

图 

Z 

恒力和恒高扫描成像 

恒力扫描恒高扫描 

F



针尖和样品之间的力F 

与微悬臂的形变Δz 

F=k·Δz 

显示器 

计算机和反馈控制 

原子力显微镜的工作原理 

检测器 

X 

激光 

Z 

Y 

针尖与微悬臂 

样品 

压电陶瓷扫描管



原子力显微镜的要素



三维扫描控制 

所谓压电效应是指某些晶体材料在受到机械力作用发生形变时, 

会产生电场,或给晶体加一电场时,会产生物理形变的现象。 

PZT压电陶瓷能简单地将1mV~1000V的电压信号转换成十几分之一 

纳米到数微米的机械位移,完全满足SPM三维扫描控制精度的要求 

压电三脚架 

双层压电晶 

片驱动的三 

脚架结构 

压电陶瓷管 

微加工的压电驱 

动器,可进行纵 

向、横向、垂直 

弯曲及扭转运动



控制电路 

接触模式非接触模式 

间歇接触模式



振动隔离系统 

振动源: 

建筑物振动(10-100Hz) 

通风管道、变压器和马达(6-65Hz) 

人走动(1-3Hz) 

声音等 

减震系统的设计: 

1-100Hz之间的振动 

提高仪器的固有振动频率和使用振动阻尼系统 

AFM刚性的结构设计:尽可能高的共振频率fs。刚性越大,对 

外部减震系统的要求就越低,因为由刚体的固有结构阻尼产生 

的滞后损失可以有效地散逸外界振动。 

振动隔离系统:固有频率越低,振动隔离效果越好。 

•弹簧-阻尼系统 

•平板-弹性体堆垛系统 

•充气平台



微悬臂形变检测方法 

针尖和样品之间的力F与微悬臂的形变Δz 

F=k·Δz , 其中,k为微悬臂的力常数 

1. 隧道电流检测法 

2. 电容检测法 

3. 光学干涉法 

4. 光束偏转法 

分辨率信噪比 

隧道电流高,Z向0.01nm 低针尖的污染,热振动、热漂移 

电容法高,Z向0.01nm 低 

光学干涉法高,z向0.001nm 高 

光束偏转法较高,z向0.003nm 高 

抗噪音水平低 

灵敏度和信噪比都高,设备复杂 

自由 

排斥 

吸引 

原理和技术简单,精度也较高,适用 

范围广



微悬臂的设计--分辨率和噪音水平 

•很小的力常数一般为0.01~100 N/m 

微悬臂变形量的检测灵敏度可以达到nm量级,这样针尖与样品之 

间零点几个纳牛顿(nN)作用力的变化就可以被检测到 

•共振频率必须足够高,减小振动和声波的干扰 ( >10kHz) 

•微悬臂的长度要短,质量要小,以满足低力常数和高共振频率的 

2 0. 

314EI 

2 

要求 

f = 4 

L ρS 

k = k = 9. 57ρLSf 

= 9. 

57Mf 

•微悬臂要有较高的横向刚性 

3EI 

3 

L 

•非固定端带有一个纵横比较高的尖锐针尖 

•光学偏转法检测微悬臂位移的仪器,要求微悬臂的背面有平滑的 

光学反射面 

2



微悬臂的制作



各种微悬臂



SPM仪器的结构



原子力显微镜的操作模式



AFM的分类 

接触式原子力显微镜(contact AFM):利用原子 

斥力的变化而产生表面轮廓。 

非接触式原子力显微镜(non-contact AFM):利 

用原子吸引力的变化而产生表面轮廓。 

间歇接触模式原子力显微镜(Intermittent-Contact 

AFM):是接触与非接触两种模式的混合。



原子力显微镜的常见的几种操作模式 

接触式AFM可能获得原子分辨图像。 

由于表面摩擦和粘滞可能会有假象。 

可能会使表面变形,针尖容易磨损钝化。 

非接触式AFM一般是频率调制或者是相位调制,分辨率 

更高。 

操作复杂,环境噪声干扰大,一般在真空中能够实现。 

间歇接触模式AFM,可对软样品成像,由剪切力引起的 

分辨率的降低和对样品的破坏几乎消失。 

克服了室温大气环境下大多数样品表面上薄液层的粘滞 

(Tapping,Dynamic AFM,MAC mode,Non-contact mode)



间歇接触式原子力显微镜 

自由振荡表面接触 

振幅,频率,相位,微悬臂的偏转



如组分、粘滞力、摩 

擦力、粘弹性、电、 

磁等性质的信息 

相位成像 

相位敏感 

J. P. Rabe, Adv. Mater. 1998, 10, 793. 

短程的相互作用包括 

粘滞力和摩擦力 

长程的相互作用包括 

电场力和磁场力。



静电力显微镜成像 

Paul L. McEuen,PRL,2000,84,6082 

探测样品的表面电荷,表面电势,界面电势分布、器件失效分析等



磁力显微镜成像 

h 

h 

抬高扫描轨迹 

主扫描轨迹 

磁盘



摩擦力显微镜



原子力显微镜的动态横向力模式 

TRmode 

LM-FFM 

样品平面内纳米尺度的各向异性特征 

也可以与纵向的磁力、静电力等表征结合互相补充



Deflection 

3 

Touching 

3 

4 

2 

4 

2 

5 

Z Displacement 

力曲线的测量 

6 

5 

6 

Adhesion 

Nontouching 

1 

接触形变问题 

力常数测定问题



接触形变



接触形变理论—(1)Hertz理论



(2)JKRS模型(Johnson-Kendall- 

Roberts-Sperling model) 

假设:1)短程表面(粘附)力存在,但只作用于接触面积处。 

2)允许局域变形/neck的形成。 

)



(3)DMT模型(Derjaguin-Muller-Toporov model) 

假设:1)表面力存在,并可波及接触面积之外的有限区域 

2)属于Hertzian形变,在界面处不形成neck。



1 

AFM微悬臂力常数(k)的测定 

几何尺寸计算法 

k = 

Ebt 

4L 

Hooke定律: F = kΔz 

• E为微悬臂的杨氏模量,b为微 

悬臂的宽度,t为微悬臂的厚 

度,L为微悬臂的长度 

• 三角微悬臂近似为两根平行的 

长方形梁 

3 

3 

2 

共振频率测定法 

ω = 

M 

k 

+ 

m 

M为微悬臂本身的固有质量, 

m*为固定于微悬臂顶端的胶粒 

的重量 

*

2 

0 



3 

AFM微悬臂力常数(k)的测定 

偏移平衡位移 

ΔZ 

在温度为T时, 

1 2 2 1 

mw0 q = k BT 

2 2 

4 热噪声谱 

2 

p 1 2 

H = + mω 

0 q 

2m 

2 

q为谐振子偏离平衡位置的 

位移,p为谐振子的动量, 

m为谐振子的等效质量,为 

谐振子的共振角频率 

一谐振子,弹性常数k和共振频率满足k=mω 0 2 

k 

= 

k 

B 

T 

q 

2 

2

Count 



25 

20 

15 

10 

5 

0 

利用针尖化学方法研究各种相互作用 

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 

Deflection/nm 

Adhesion Force 

高斯统计 

粘附力的高斯统计。 

取最可几值。 

每次针尖与样品接触时,成键分子数可能不同, 

因此测得的力并不一定相同。 

力滴定曲线



利用针尖化学方法研究各种相互作用 

范德华力、双电层力、氢键、 

化学键、配受体作用、DNA双螺 

旋的互补作用、细胞间的粘附力等。 

键能、结合能测定 

分子识别 

生物体系中的相互作用 

蛋白质变性



原子力显微镜的针尖卷积效应与图像假像



针尖去卷积 

R 

W/2 

硬球几何模型 

H



AFM横向分辨率:针尖形状,像素数



针尖污染 

多针尖 

AFM图像的假像 

针尖不能跟踪表面 

扫描管非线形



原子力显微镜的应用进展



HOPG 

FM-AFM的原子和亚原子分辨 

KCl 

Yamada, APL 2005 

Si 

Franz J. Giessibl, PNAS 2003, 100, 12539 

Franz J. Giessibl, Science, 2000,289, 422



相位调制AFM 

In AM-AFM, detection signalΔA. 

both conservative and dissipative interaction forces, topographic artifacts. 

The time response of A becomes slower with increasing Q factor. 

In FM-AFM, detection signalΔf 

the time response of f is not influenced by the Q factor. 

capable of measuring the conservative and dissipative interaction forces 

independently. 

A stable self excitation requires a clean cantilever deflection signal and, hence, can 

be disrupted by the occasional tip crash or adhesion. 

In PM-AFM, detection signalΔf 

Stable imaging even with the occasional tip crash or adhesion to the surface. time 

response is not influenced by the Q Factor 

Capability of imaging atomic-scale features of mica in water. 

Rev. Sci. Instru, 2006,77,123703



AFM of bacterial surface layers 

AFM image of the S-layer of Bacillus sphaericus CCM2177 imaged 

in contact mode under water. The center-to-center spacing of 

the morphological units is 13.1nm.


数理学部实验物理讲习班



单分子力谱 

Gaub,Science paper



硅(111)面上的氧化硅纳米柱 

阵列⎯AFM纳米氧化刻蚀技术 

Au-Pd合金上刻写的世界上最小的 

唐诗(10 µm ×10 µm ) 

-----AFM机械刻蚀技术 

石墨上的金纳米点阵列(2 µm 

×2 µm ) ----AFM场致蒸发技术 

Si表面氧化加工



Dip-Pen纳米加工技术



多探针AFM 

Millipede



AFM刻蚀与加工 

AFM机械、热、电磁加工



AFM操纵



导电AFM在分子电子学中的应用 

Cui et al., Science,2001,294,571



参考文献和书目 

1. Binnig, G.; Quate, C. F.; Gerber, C. Phys. Rev. Lett. 1986, 56, 930. 

2. Binnig, G.; Gerber, C.; Stoll, E.; Albrecht, T. R.; Quate, C. F. 

Europhys. Lett. 1987, 3, 1281. 

3. Albrecht, T. R.; Quate, C. F. J. Appl. Phys. 1987, 62, 2599. 

4. F. J. Giessibl Rev. Mod. Phys., 2003 75, 949 

5. Garcia R., Perez R. Surf. Sci. Report,2002,47,197 

6. 扫描隧道显微学引论,陈成钧著,华中一,朱昂如,金晓峰译, 

1996,中国轻工业出版社,北京. 

7. 扫描隧道显微术及其应用,白春礼编著,1994,上海科学技术出版 

社,上海. 

8. 扫描力显微术,白春礼,田芳,罗克著,2000,科学出版社,北京. 

9. 纳米材料分析,黄惠忠等编著,2003,化学工业出版社,北京. 

10.Single Molecule Chemistry and Physics: An Introduction,王琛, 

白春礼著,2006 ,Springer, Berlin.



谢谢!

原子力显微镜简介 - 中国科学院物理研究所

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?