纳米科技导论-2-检测技术-修改稿.ppt

2. AFM的三种工作模式： 接触式 非接触式 轻敲式 (1)接触式(contact mode)： 在接触模式中，针尖始终与样品保持轻微接触，扫描过程中，针尖在样品表面滑动。通常情况下，接触模式都可以产生稳定的、高分辨率的图像。 在接触模式中，如果扫描软样品的时候，样品表面由于和针尖直接接触，有可能造成样品的损伤。 所以接触模式一般不适用于研究生物大分子、低弹性模量样品以及容易移动和变形的样品。 (2)非接触式（noncontact mode)： 在非接触模式中，针尖在样品表面上方振动，始终不与样品接触，探针监测器检测的是范德华力和静电力等对成像样品的无破坏的长程作用力。 但当针尖与样品之间的距离较长时，分辨率要比接触模式和轻敲模式都低，而且成像不稳定，操作相对困难. 通常不适用于在液体中成像，在生物中的应用也比较少。 (3)轻敲式（tapping mode)： 在轻敲模式，微悬臂在其共振频率附近作受迫振动，振荡的针尖轻轻的敲击样品表面，间断的和样品接触，所以又称为间歇接触模式。 由于轻敲模式能够避免针尖粘附到样品上，以及在扫描过程中对样品几乎没有损坏。 轻敲模式AFM在大气和液体环境下都可以实现。 在液体中的轻敲模式成像可以对活性生物样品进行现场检测、对溶液反应进行现场跟踪等。 3. AFM扫描方式有2种 (1)“恒力”模式(Constant Force Mode) ： 在扫描过程中利用反馈回路保持针尖和样品之间的作用力恒定，即保持微悬臂的变形量不变，针尖就会随表面的起伏上下移动，得到表面形貌的信息，是使用最广泛的扫描方式。 工作过程中，使AFM的针尖处在排斥力状态，此时作用力不变，移动样品，如表面凹下，作用力减小，控制系统立即使AFM推动样品上移。相反--------，纪录控制电压的起伏大小变化，可知道表面原子的起伏状态。 (2)“恒高”模式 (Constant Hight Mode) 在扫描过程中，不使用反馈回路，保持针尖与样品之间的距离恒定，检测器直接测量微悬臂Z方向的形变量来成像。 这种方式不使用反馈回路，可以采用更高的扫描速度，通常在观察原子、分子像时用得比较多，但对于表面起伏较大的样品不适用。 4. AFM应用 AFM的主要功能同STM相似。 (1)一般而言，STM适于研究导体样品，而难于研究绝缘样品，由此发展起来的AFM克服了STM的局限性，对导体和非导体样品都适用； (2)由于工作原理和仪器结构不同，AFM分辨本领要略低于STM，且灵敏度和稳定性均不如STM。 (3)与TEM、SEM相比， AFM不仅能成像，而且可以搬迁纳米材料。 DNA High magnification AFM image of it-PMMA deposited on mica at 10 mN/m. 实验观测： 高分子晶体 折叠链模型 插线板模型 北京大学利用AFM 探针，在Au-Pd薄膜上雕刻出唐朝孟浩然的诗句，每字大小约为1.5 μm。 AFM Manipulation of CNT AFM操纵纳米碳管 **** ZnO定向生长 多孔SiC陶瓷 大景深 填充玻纤的高分子断面 PTC陶瓷混合断口的形貌像 20000 ? 穿晶断口 沿晶断口 莫来石 SiC ZrO2 不同相的背散射电子像形貌特征 SEM分析样品的优缺点 优点： 1)仪器分辨本领较高，通过二次电子像能够观察试样表面30 ?左右的细节。 2) 放大倍数变化范围大(一般为l0—800000倍)，且能近续可调。 3)观察试样的景深大，图像富有立体感。可用于观察粗糙表面，如金属断口、催化剂等。 4)样品制备简单。 缺点： 不导电的样品需喷金(Pt、Au)处理，价格高，分辨率比TEM低。 **** 三、 扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM) （一）、量子隧道效应 在经典力学中，当势垒的高度比粒子的能量大时，粒子是无法越过势垒的。 量子力学中，粒子穿过势垒出现在势垒另一侧的几率并不为零，这种现象称为隧道效应。 隧道效应是微观粒子(如电子、质子和中子)波动性的一种表现。 一般情况下，只有当势垒宽度与微观粒子的德布罗意波长可比拟时，才可以观测到显著的隧道效应。 1973年，江崎、加埃沃、约瑟夫森获诺贝尔物理奖。 1958年江崎宣布发明了隧道二极管； 1960年加埃沃实验证明单电子隧道效应； 1962年约瑟夫森(22岁)提出双电子隧道效应。 须强调的是：隧穿过程遵从能量守恒和动量〔或准动量〕守恒定律。 （二）、扫描隧道显微镜 STM Scanning Tunneling Microscope 1972年，Young检测金属探针和表面之间的电子场发射流来探测物体表面：针尖与样品间距20 nm，横向分辨率400 n