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原子力显微镜的分类及优缺点

发布时间:2023-04-14浏览:247次

原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM),一种可用来研究包括导体、半导体和绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它的横向分辨率可达0.15m,而纵向分辨率可达0.05m,AFM最大的特点是可以测量表面原子之间的力,AFM可测量的最小力的量级为10-14 -10-16 N。AFM还可以测量表面的弹性,塑性、硬度、黏着力等性质 ,AFM还可以在真空,大气或溶液下工作,也具有仪器结构简单的特点,在材料研究中获得了广泛的研究。

 
它与其他显微镜相比有明显不同,它用一个微小的探针来”摸索”微观世界,AFM超越了光和电子波长对显微镜分辨率的限制,在立体三维上观察物质的形貌,并能获得探与样品相互作用的信息,典型AFM的侧向分辨率(x,y)可达到2nm,垂直分辩牢(方间)小于0。1mmAFM具有操作客易、样品准备简单、操作环境不受限制、分辨率高等优点。
 
原子力显微镜的分类
AFM探针基本都是由MEMS技术加工 Si 或者 Si3N4来制备。探针针尖半径一般为10到几十nm。微悬臂通常由一个一般100~500μm长和大约500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制成。典型的硅微悬臂大约100μm长、10μm宽、数微米厚。
 
利用探针与样品之间各种不同的相互作用的力而开发了各种不同应用领域的显微镜,如AFM(范德法力),静电力显微镜EFM(静电力)磁力显微镜MFM(静磁力)侧向力显微镜LFM(探针侧向偏转力)等, 因此有对应不同种类显微镜的相应探针。
 
原子力显微镜的探针主要有以下几种:
 
1.非接触/轻敲模式针尖以及接触模式探针:常用的产品,分辨率高,使用寿命一般。使用过程中探针不断磨损,分辨率很容易下降。主要应用与表面形貌观察。
 
2.导电探针:通过对普通探针镀10-50纳米厚的Pt(以及别的提高镀层结合力的金属,如Cr,Ti,Pt和Ir等)得到。导电探针应用于EFM,KFM,SCM等。导电探针分辨率比tapping和contact模式的探针差,使用时导电镀层容易脱落,导电性难以长期保持。导电针尖的新产品有碳纳米管针尖,金刚石镀层针尖,全金刚石针尖,全金属丝针尖,这些新技术克服了普通导电针尖的短寿命和分辨率不高的缺点。
 
3.磁性探针:应用于MFM,通过在普通tapping和contact模式的探针上镀Co、Fe等铁磁性层制备,分辨率比普通探针差,使用时导电镀层容易脱落。
 
原子力显微镜的优缺点
 
1.优点
原子力显微镜观察到的图像相对于扫描电子显微镜,原子力显微镜具有许多优点。不同于电子显微镜只能提供二维图像,AFM提供真正的三维表面图。同时,AFM不需要对样品的任何特殊处理,如镀铜或碳,这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。第三,电子显微镜需要运行在高真空条件下,原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。这样可以用来研究生物宏观分子,甚至活的生物组织。
 
2.缺点
和扫描电子显微镜(SEM)相比,AFM的缺点在于成像范围太小,速度慢,受探头的影响太大。原子力显微镜(Atomic Force Microscope)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。原子力显微镜与扫描隧道显微镜相比,由于能观测非导电样品,因此具有更为广泛的适用性。当前在科学研究和工业界广泛使用的扫描力显微镜(Scanning Force Microscope),其基础就是原子力显微镜。

 

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