原子力顯微鏡(AFM)儀器結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點(diǎn) - 分析行業(yè)新聞
日期:2023-02-01 16:07 瀏覽次數(shù):113
優(yōu)缺點(diǎn)
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。原子力顯微鏡與掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope)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,其基礎(chǔ)就是原子力顯微鏡。
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。
儀器結(jié)構(gòu)
在原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy,AFM)的系統(tǒng)中,可分成三個(gè)部分:力檢測(cè)部分、位置檢測(cè)部分、反饋系統(tǒng)。
力檢測(cè)部分
在原子力顯微鏡(AFM)的系統(tǒng)中,所要檢測(cè)的力是原子與原子之間的范德華力。所以在本系統(tǒng)中是使用微小懸臂(cantilever)來(lái)檢測(cè)原子之間力的變化量。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。微懸臂頂端有一個(gè)尖銳針尖,用來(lái)檢測(cè)樣品-針尖間的相互作用力。這微小懸臂有一定的規(guī)格,例如:長(zhǎng)度、寬度、彈性系數(shù)以及針尖的形狀,而這些規(guī)格 的選擇是依照樣品的特性,以及操作模式的不同,而選擇不同類(lèi)型的探針。
位置檢測(cè)部分
在原子力顯微鏡(AFM)的系統(tǒng)中,當(dāng)針尖與樣品之間有了交互作用之后,會(huì)使得懸臂cantilever擺動(dòng),當(dāng)激光照射在微懸臂的末端時(shí),其反射光的位置也會(huì)因?yàn)閼冶蹟[動(dòng)而有所改變,這就造成偏移量的產(chǎn)生。在整個(gè)系統(tǒng)中是依靠激光光斑位置檢測(cè)器將偏移量記錄下并轉(zhuǎn)換成電的信號(hào),以供SPM控制器作信號(hào)處理。
反饋系統(tǒng)
在原子力顯微鏡(AFM)的系統(tǒng)中,將信號(hào)經(jīng)由激光檢測(cè)器取入之后,在反饋系統(tǒng)中會(huì)將此信號(hào)當(dāng)作反饋信號(hào),作為內(nèi)部的調(diào)整信號(hào),并驅(qū)使通常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當(dāng)?shù)囊苿?dòng),以保持樣品與針尖保持一定的作用力。
總結(jié)
AFM系統(tǒng)使用壓電陶瓷管制作的掃描器精確控制微小的掃描移動(dòng)。壓電陶瓷是一種性能奇特的材料,當(dāng)在壓電陶瓷對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)端面加上電壓時(shí),壓電陶瓷會(huì)按特定的方向伸長(zhǎng)或縮短。而伸長(zhǎng)或縮短的尺寸與所加的電壓的大小成線性關(guān)系。即可以通過(guò)改變電壓來(lái)控制壓電陶瓷的微小伸縮。通常把三個(gè)分別代表X,Y,Z方向的壓電陶瓷塊組成三角架的形狀,通過(guò)控制X,Y方向伸縮達(dá)到驅(qū)動(dòng)探針在樣品表面掃描的目的;通過(guò)控制Z方向壓電陶瓷的伸縮達(dá)到控制探針與樣品之間距離的目的。
原子力顯微鏡(AFM)便是結(jié)合以上三個(gè)部分來(lái)將樣品的表面特性呈現(xiàn)出來(lái)的:在原子力顯微鏡(AFM)的系統(tǒng)中,使用微小懸臂(cantilever)來(lái)感測(cè)針尖與樣品之間的相互作用,這作用力會(huì)使微懸臂擺動(dòng),再利用激光將光照射在懸臂的末端,當(dāng)擺動(dòng)形成時(shí),會(huì)使反射光的位置改變而造成偏移量,此時(shí)激光檢測(cè)器會(huì)記錄此偏移量,也會(huì)把此時(shí)的信號(hào)給反饋系統(tǒng),以利于系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,*后再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現(xiàn)出來(lái)。
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