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原子力顯微鏡的分類(lèi)及優(yōu)缺點(diǎn)

閱讀:2128      發(fā)布時(shí)間:2023-4-14
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原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope,AFM),一種可用來(lái)研究包括導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。它的橫向分辨率可達(dá)0.15m,而縱向分辨率可達(dá)0.05m,AFM最大的特點(diǎn)是可以測(cè)量表面原子之間的力,AFM可測(cè)量的最小力的量級(jí)為10-14 -10-16 N。AFM還可以測(cè)量表面的彈性,塑性、硬度、黏著力等性質(zhì) ,AFM還可以在真空,大氣或溶液下工作,也具有儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn),在材料研究中獲得了廣泛的研究。
 
它與其他顯微鏡相比有明顯不同,它用一個(gè)微小的探針來(lái)”摸索”微觀世界,AFM超越了光和電子波長(zhǎng)對(duì)顯微鏡分辨率的限制,在立體三維上觀察物質(zhì)的形貌,并能獲得探與樣品相互作用的信息,典型AFM的側(cè)向分辨率(x,y)可達(dá)到2nm,垂直分辯牢(方間)小于0。1mmAFM具有操作客易、樣品準(zhǔn)備簡(jiǎn)單、操作環(huán)境不受限制、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。
 
原子力顯微鏡的分類(lèi)
AFM探針基本都是由MEMS技術(shù)加工 Si 或者 Si3N4來(lái)制備。探針針尖半徑一般為10到幾十nm。微懸臂通常由一個(gè)一般100~500μm長(zhǎng)和大約500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制成。典型的硅微懸臂大約100μm長(zhǎng)、10μm寬、數(shù)微米厚。
 
利用探針與樣品之間各種不同的相互作用的力而開(kāi)發(fā)了各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的顯微鏡,如AFM(范德法力),靜電力顯微鏡EFM(靜電力)磁力顯微鏡MFM(靜磁力)側(cè)向力顯微鏡LFM(探針側(cè)向偏轉(zhuǎn)力)等, 因此有對(duì)應(yīng)不同種類(lèi)顯微鏡的相應(yīng)探針。
 
原子力顯微鏡的探針主要有以下幾種:
 
1.非接觸/輕敲模式針尖以及接觸模式探針:常用的產(chǎn)品,分辨率高,使用壽命一般。使用過(guò)程中探針不斷磨損,分辨率很容易下降。主要應(yīng)用與表面形貌觀察。
 
2.導(dǎo)電探針:通過(guò)對(duì)普通探針鍍10-50納米厚的Pt(以及別的提高鍍層結(jié)合力的金屬,如Cr,Ti,Pt和Ir等)得到。導(dǎo)電探針應(yīng)用于EFM,KFM,SCM等。導(dǎo)電探針?lè)直媛时萾apping和contact模式的探針差,使用時(shí)導(dǎo)電鍍層容易脫落,導(dǎo)電性難以長(zhǎng)期保持。導(dǎo)電針尖的新產(chǎn)品有碳納米管針尖,金剛石鍍層針尖,全金剛石針尖,全金屬絲針尖,這些新技術(shù)克服了普通導(dǎo)電針尖的短壽命和分辨率不高的缺點(diǎn)。
 
3.磁性探針:應(yīng)用于MFM,通過(guò)在普通tapping和contact模式的探針上鍍Co、Fe等鐵磁性層制備,分辨率比普通探針差,使用時(shí)導(dǎo)電鍍層容易脫落。
 
原子力顯微鏡的優(yōu)缺點(diǎn)
 
1.優(yōu)點(diǎn)
原子力顯微鏡觀察到的圖像相對(duì)于掃描電子顯微鏡,原子力顯微鏡具有許多優(yōu)點(diǎn)。不同于電子顯微鏡只能提供二維圖像,AFM提供真正的三維表面圖。同時(shí),AFM不需要對(duì)樣品的任何特殊處理,如鍍銅或碳,這種處理對(duì)樣品會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。第三,電子顯微鏡需要運(yùn)行在高真空條件下,原子力顯微鏡在常壓下甚至在液體環(huán)境下都可以良好工作。這樣可以用來(lái)研究生物宏觀分子,甚至活的生物組織。
 
2.缺點(diǎn)
和掃描電子顯微鏡(SEM)相比,AFM的缺點(diǎn)在于成像范圍太小,速度慢,受探頭的影響太大。原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope)是繼掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope)之后發(fā)明的一種具有原子級(jí)高分辨的新型儀器,可以在大氣和液體環(huán)境下對(duì)各種材料和樣品進(jìn)行納米區(qū)域的物理性質(zhì)包括形貌進(jìn)行探測(cè),或者直接進(jìn)行納米操縱;現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、納米功能材料、生物、化工、食品、醫(yī)藥研究和科研院所各種納米相關(guān)學(xué)科的研究實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域中,成為納米科學(xué)研究的基本工具。原子力顯微鏡與掃描隧道顯微鏡相比,由于能觀測(cè)非導(dǎo)電樣品,因此具有更為廣泛的適用性。當(dāng)前在科學(xué)研究和工業(yè)界廣泛使用的掃描力顯微鏡(Scanning Force Microscope),其基礎(chǔ)就是原子力顯微鏡。

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