原子力显微镜

公司简介

Nano analytik公司成立于2010年4月，成员来自德国伊尔梅瑙科技大学。公司建立合作方之一为德国耶拿分析仪器股份公司，它已经成功建立了多家企业。

Nano analytik公司的竞争力在于传感器、微系统和控制技术，它致力于使纳米分析简单化，从而实现更新的开创性的研究工作。

公司文化是发展创新优质产品，提高我们的生活质量，同时保护好我们的环境。

Nano analytik开发了新一代的智能悬臂梁和纳米谐振器检测器。基于智能悬臂梁技术，在先进技术的创新发展中，我们基于现有的先进技术，随着应用的不断发展，我们开发制造这些产品。

Nano analytik开发的扫描探针显微镜的针尖，它包含一个硅的悬臂梁，其上集成了传感器/执行器和功能化硅针尖。这种悬臂梁具有高的谐振频率（3~5MHz）和低弹性常量。

Nano analytik 提供多种扫描探针显微镜的探针，满足您所有纳米研究需要。

Nano analytik 发明了几款独特的MEMS器件，它们能应用在许多相应的纳米科学研究领域，包括：

• 生化传感器
• 低机械力的检测
• 表面分析
• 多种扫描探针显微镜的探针
• 质量传感器

更多关于原子力显微镜的信息，请登录：www.nanoanalytik.net

原子力基本知识

定义及用途：

原子力显微镜（Atomic Force Microscope ，AFM），一种用来研究固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极度敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面形貌结构信息及表面粗糙度信息。

工作原理：

将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一个微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间存大极微弱的力，会使悬臂产生微小的偏转。通过检测出偏转量并作用反馈控制其排斥力的恒定，就可以获得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的图像。

工作模式：

原子力显微镜的操作模式根据针尖与样品作用方式不同来分类。主要有以下3种操作模式：接触模式（contact mode) ，非接触模式（ non - contact mode) 和敲击模式( tapping mode）。

• 接触模式

从概念上来理解，接触模式是AFM最直接的成像模式。AFM 在整个扫描成像过程之中，探针针尖始终与样品表面保持紧密的接触，而相互作用力是排斥力。扫描时，悬臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构，因此力的大小范围在10 - 10～10 - 6 N。若样品表面柔嫩而不能承受这样的力，便不宜选用接触模式对样品表面进行成像。

• 非接触模式

非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方5～10 nm 的距离处振荡。这时，样品与针尖之间的相互作用由范德华力控制，通常为10 - 12 N ，样品不会被破坏，而且针尖也不会被污染，特别适合于研究柔嫩物体的表面。这种操作模式的不利之处在于要在室温大气环境下实现这种模式十分困难。因为样品表面不可避免地会积聚薄薄的一层水，它会在样品与针尖之间搭起一小小的毛细桥，将针尖与表面吸在一起，从而增加尖端对表面的压力。

• 敲击模式

敲击模式介于接触模式和非接触模式之间，是一个杂化的概念。悬臂在试样表面上方以其共振频率振荡，针尖仅仅是周期性地短暂地接触/ 敲击样品表面。这就意味着针尖接触样品时所产生的侧向力被明显地减小了。因此当检测柔嫩的样品时，优选AFM的敲击模式。一旦AFM开始对样品进行成像扫描，装置随即将有关数据输入系统，如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰顶之间的最大距离等，用于物体表面分析。同时，AFM 还可以完成力的测量工作，测量悬臂的弯曲程度来确定针尖与样品之间的作用力大小。

三种模式的比较

• 接触模式（Contact Mode）
  

优点：扫描速度快，能够获得“原子分辨率”图像的AFM垂直方向上有明显变化的质硬样品，有时更适于用Contact Mode扫描成像。

缺点：横向力影响图像质量。在空气中，因为样品表面吸附液层的毛细作用，使针尖与样品之间的粘着力很大。横向力与粘着力的合力导致图像空间分辨率降低，而且针尖刮擦样品会损坏软质样品（如生物样品，聚合体等）。

• 非接触模式(Non-contact Mode)：

优点：没有力作用于样品表面。

缺点：由于针尖与样品分离，横向分辨率低；为了避免接触吸附层而导致针尖胶粘，其扫描速度低于Tapping Mode和Contact Mode。通常仅用于非常怕水的样品，吸附液层必须薄，如果太厚，针尖会陷入液层，引起反馈不稳，刮擦样品。由于上述缺点，non-contact Mode的使用受到限制。

• 轻敲模式（Tapping Mode）：

优点：很好的消除了横向力的影响。降低了由吸附液层引起的力，图像分辨率高，适于观测软、易碎、或胶粘性样品，不会损伤其表面。

缺点：比Contact Mode的扫描速度慢。

AFM的优点：

• AFM技术的样品制备简单，甚至无需处理，对样品破坏性较其他常用技术要小得多。
• AFM能在多种环境（包括空气、液体和真空）中运作，生物分子可在其生理条件下直接成像，还能对活细胞进行实时运态观察。

可选项：

MFM- EFM - PFM - C-AFM –SThM

磁力显微镜－静电力显微镜－压电力显微－导电原子力显微镜－扫描热显微镜

磁力显微镜MFM

磁力显微镜(Magnetic Force Microscope, MFM)采用磁性探针对样品表面扫描检测，检测时，对样品表面的每一行都进行两次扫描：第一次扫描采用轻敲模式，得到样品在这一行的高低起伏并记录下来；然后采用抬起模式，让磁性探针抬起一定的高度(通常为10～200nm)，并按样品表面起伏轨迹进行第二次扫描，由于探针被抬起且按样品表面起伏轨迹扫描，故第二次扫描过程中针尖不接触样品表面（不存在针尖与样品间原子的短程斥力）且与其保持恒定距离（消除了样品表面形貌的影响）， 磁性探针因受到的长程磁力的作用而引起的振幅和相位变化，因此，将第二次扫描中探针的振幅和相位变化记录下来，就能得到样品表面漏磁场的精细梯度，从而得到样品的磁畴结构。一般而言，相对于磁性探针的振幅，其振动相位对样品表面磁场变化更敏感，因此，相移成像技术是磁力显微镜的重要方法，其结果的分辨率更高、细节也更丰富。

1. 在样品表面扫描，得到样品的表面形貌信息，这个过程与在轻敲模式中成像一样；

2. 探针回到当前行扫描的开始点，增加探针与样品之间的距离（即抬起一定的高度），根据第一次扫描得到的样品形貌，始终保持探针与样品之间的距离，进行第二次扫描。在这个阶段，可以通过探针悬臂振动的振幅和相位的变化，得到相应的长程力的图像；

3. 在抬起模式中，必须根据所要测量的力的性质选择相应的探针。

与其他磁成像技术比较,磁力显微镜(MFM)具有分辨率高、可在大气中工作、不破坏样品而且不需要特殊的样品制备等优点。

静电力显微镜EFM

静电力显微镜(Electrostatic For Microscopy, EFM)和磁力显微镜(MFM)原理相似，它采用导电探针以抬起模式进行扫描。

由于样品上方的电场梯度的存在，探针与样品表面电场之间的静电力会引起探针微悬臂共振频率的变化，从而导致其振幅和相位的变化。

压电力显微镜PFM

压电力显微镜(Piezo-Response Force Microscopy , PFM)即是利用原子力显微镜导电探针检测样品在外加激励电压下的电致形变量。为了有效的提取出PFM信号，通常会对探针施加某一固定频率(远低于探针共振频率)的激励信号，通过锁相放大器对PFM信号进行提取。而常规的PFM测试中，激励电压一般为10V左右，所获得的PFM形变信号非常的微弱(pm量级)，几乎和探针的热噪声相当，这极大的限制了PFM信号的稳定性和灵敏度。

导电原子力显微镜C-AFM

导电原子力显微镜Conducting atomic force microscope(C-AFM),典型AFM的针尖材料是Si4N3,如果在上面镀上导电材料，针尖就变成了精密探针，这种修饰过的针尖既可以获得表面形貌像，也可以作为纳米尺寸的探针来得到纳米结构的电特性。导电AFM的工作模式可以是常规STM扫描模式，也可以是常规AFM扫描模式。还可以在常规AFM扫描模式下进行局域表面电性能的研究。

扫描热显微镜SThM

扫描热显微镜(Scanning Thermal Microscope, SThM)是在原子力显微镜(AFM)基础上，利用对于材料的温度、热导率等的变化进行成像，从而获得样品表面热分布和相关热物理性质等信息的一种微纳米尺度的测试技术。现已在微电子器件、材料等领域得到了日益广泛的应用。