原子力显微镜(AFM):全网最全干货大合集,你想要的都在这里…

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什么是原子力显微镜(AFM)?

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原子力显微镜(Atomic Force Microscope ,AFM),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,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。

AFM现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、化工、生物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。为了让小伙伴们对AFM有快速、全面的了解,我们特意准备了“AFM超级干货”,共分为工作原理、成像模式、制样要求、软件操作及图像处理、经验干货和实际应用六部分进行介绍,希望能对材料人们的研究工作提供帮助,助力大家迅速成长为AFM达人。

【AFM工作原理】

如下图所示,当针尖接近样品时,针尖受到力的作用使悬臂发生偏转或振幅改变。悬臂的这种变化经检测系统检测后转变成电信号传递给反馈系统和成像系统,记录扫描过程中一系列探针变化就可以获得样品表面信息图像

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假设两个原子一个是在悬臂的探针尖端,另一个是在样本的表面,它们之间的作用力会随距离的改变而变化,其作用力与距离的关系如下图所示,当原子与原子很接近时,彼此电子云斥力的作用大于原子核与电子云之间的吸引力作用,所以整个合力表现为斥力的作用,反之若两原子分开有一定距离时,其电子云斥力的作用小于彼此原子核与电子云之间的吸引力作用,故整个合力表现为引力的作用。原子力显微镜就是利用原子之间微妙的关系来把原子样子给呈现出来。

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【AFM成像模式】

原子力显微镜有三种基本成像模式,它们分别是接触式(Contact mode)、非接触式(non-contact mode)、轻敲式(tapping mode)

1、接触式

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接触式AFM是一个排斥性的模式,探针尖端和样品做柔软性的“实际接触”,当针尖轻轻扫过样品表面时,接触的力量引起悬臂弯曲,进而得到样品的表面图形。由于是接触式扫描,在接触样品时可能会是样品表面弯曲。经过多次扫描后,针尖或者样品有钝化现象

特点:通常情况下,接触模式都可以产生稳定的、分辨率高的图像。但由于针尖在样品表面上滑动及样品表面与针尖的粘附力,可能使得针尖受到损害,样品产生变形,故对不易变形的低弹性样品存在缺点,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

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在非接触模式中,针尖在样品表面的上方振动,始终不与样品接触,探测器检测的是范德华作用力和静电力等对成像样品没有破坏的长程作用力。需要使用较坚硬的悬臂(防止与样品接触)。所得到的信号更小,需要更灵敏的装置,这种模式虽然增加了显微镜的灵敏度,但当针尖和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

特点:由于为非接触状态,对于研究柔软或有弹性的样品较佳,而且针尖或者样品表面不会有钝化效应,不过会有误判现象。这种模式的操作相对较难,通常不适用于在液体中成像,在生物中的应用也很少

3、轻敲式

微悬臂在其共振频率附近做受迫振动,振荡的针尖轻轻的敲击表面,间断地和样品接触。当针尖与样品不接触时,微悬臂以最大振幅自由振荡。当针尖与样品表面接触时,尽管压电陶瓷片以同样的能量激发微悬臂振荡,但是空间阻碍作用使得微悬臂的振幅减小。反馈系统控制微悬臂的振幅恒定,针尖就跟随表面的起伏上下移动获得形貌信息

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特点:对样品的损害很小,适用于柔软、易脆和粘附性较强的样品,且不对它们产生破坏。这种模式在高分子聚合物的结构研究和生物大分子的结构研究中应用广泛。其缺点是扫描速度比接触模式要慢

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【AFM制样要求】

1)AFM制样对样品导电与否没有要求,可以很平也可以不那么平,对表面光洁度有一定要求,测量范围比较广泛。

2)适用于多种环境,可在真空,空气和溶液中进行。

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【AFM软件操作及图像处理】

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【AFM经验干货】

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【AFM实际应用】

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