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AFM原子力显微镜原理(全面介绍)

发表时间:2021-04-15 10:32作者:宜沃检测

AFM原子力显微镜原理是怎样的?AFM测试范围是什么,AFM测试哪里可以做呢,今天宜沃检测小编带大家来详细了解一下。

宜沃检测可为您提供原子力显微镜技术(AFM)服务,原子力显微镜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。

AFM (Atomic Force Microscope ),即原子力显微镜原子力显微镜提供原子或近原子解析度的表面形貌图像,能够定量样品的表面粗糙度到"Å"等级。除了提供表面图像之外,AFM也可以提供形态的定量测量,如高度差和其他尺寸。另外,磁力显微镜(MFM)是AFM一种应用,能够绘制样品的磁域图。


AFM原子力显微镜的工作原理

当原子间距离减小到一定程度以后,原子间的作用力将迅速上升。因此,由显微探针受力的大小就可以直接换算出样品表面的高度,从而获得样品表面形貌的信息。

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宜沃检测●利用AFM原子力显微镜可以:

提供三维表面形态影像,包括表面粗糙度、粒径大小、高度差和间距

其他样品特性的成像,包括磁场、电容、摩擦力和相位

AFM的工作模式

l   接触模式(Contact mode)

l   非接触模式(Non-contact mode)

l   轻敲模式(Tapping mode)

l   峰值力模式(Peakforce)

l   接触模式(Contact mode)


接触模式

原理:微悬臂探针紧压样品表面,检测时与样品保持接触,作用力(斥力)通过悬臂梁的变形进行测量

优点:扫描速度快,是唯一能够获得“原子分辨率”图像的AFM.对于垂直方向上有明显变化的质硬样品,有时更适于ContactMode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)。因此,这种模式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。


非接触模式

原理:悬臂在距离试样表面上方5~10 nm的距离处振荡,作用力(引力)通过悬臂梁的变形进行测量。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

优点:没有力作用于样品表面,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。

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模式。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,此模式的使用受到限制

轻敲模式

AFM轻敲模式.png

原理:用处于共振状态、上下振荡的微悬臂探针对样品表面进行扫描,样品表面起伏使微悬臂探针的振幅产生相应变化,从而得到样品的表面形貌。该模式下,针尖对样品进行“敲击”,两者间只有瞬间接触,能有效克服接触模式下针尖引起的相互损伤,适合于柔软或吸附样品的检测。

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 AFM的扫描速度慢.

峰值力模式

在传统接触模式成像过程中探针与样品之间存在剪切作用,容易造成样品的损坏;在传统轻敲成像模式中,由于是基于对快速振动的探针的微悬臂振幅值监测来对探针针尖与样品作用力进行反馈控制,因而探针针尖与样品间的作用力难以精确控制,仍有可能导致待测样品严重变形或破坏。

峰值力模式是用正弦波代替传统三角波的方式来驱动压电陶瓷扫描管Z方向上的运动;在该模式中,探针受压电陶瓷扫描管在Z方向上的作用而受迫振动

AFM峰力值模式.png


优点:越接近样品表面,探针相对样品的运动速度越慢,因此避免了因系统响应的延迟而导致探针的不必要的移动,可以更精确的控制探针和样品之间的相互作用力。

AFM对比图.png

AFM的优点

1、制样相对简单,多数情况下对样品不破坏。

2、具有高分辨率,三维立体的成像能力。

3、常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。

AFM的缺点

1)扫描范围较小与SEM相比,AFM成像范围小,容易将局部的、特殊的结果当作整体的结果而分析,以及使实验结果缺乏重现性。

2)受样品因素限制较大由于分辨率很高,使得在样品制备过程中产生的或者是从背景噪音中产生的极小赝像都能够被检测、观察到,产生赝像。(不可避免)

3)针尖易磨钝或受污染﹐磨损无法修复,污染清洗困难。

宜沃检测●AFM测试对样品的要求

1. 样品状态:可为粉末、液体、块体、薄膜样品;

2. 粉末样品:颗粒一般不超过5微米,提供20mg,液体不少于1ml,尺寸过大请提前咨询客户经理;

3. 粉末/液体样品请务必备注好制样条件,包括分散液,超声时间及配制浓度;

4. 薄膜或块状样品尺寸要求:长宽0.5-3cm之间,厚度0.1-1cm之间,表面粗糙度不超过5um,一定要标明测试面!

5. 测试压电、表面电势的材料需要将样品制备在导电基底上,基底大小大于0.5*0.5cm。其他问题请咨询客户经理。

AFM原子力显微镜的应用:

  AFM原子力显微镜可用于表面观察、尺寸测定、表面粗糙测定、颗粒度解析、突起与凹坑的统计处理、成膜条件评价、保护层的尺寸台阶测定、层间绝缘膜的平整度评价、VCD涂层评价、定向薄膜的摩擦处理过程的评价、缺陷分析等。现已广泛应用于半导体、航空、纳米功能材料、生物、化工、食品、汽车、地质学、冶金、医药研究等纳米相关学科的研究实验领域中,成为纳米科学研究的基本工具。


总之,AFM原子力显微镜在纳米摩擦学研究中获得了越来越广泛的应用,已经成为进行纳米摩擦学研究的重要工具之一。

以上就是宜沃检测平台对网络上相关资料的整理如有测试需求,可以和宜沃检测客服联系,我们会给与您最准确的数据和最好的服务体验,希望可以在大家的科研路上有所帮助。



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