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什么是原子力显微镜(AFM)?

什么是原子力显微镜(AFM)?

原子力显微镜(AFM)是一种高分辨率的扫描探针显微镜,采用光栅运动的尖头来测量和可视化原子和纳米尺度的材料。这个概述将作为原子力显微镜的介绍。

显微镜是帮助我们看到肉眼看不到的东西的工具,源自古希腊“mikrós”小的和“skopein”去找。原子力显微镜使用多种技术,也称为测量模式,以从低于一纳米(<1纳米)(0.5纳米是原子的平均尺寸)到1微米(也称为微米)的尺度分析样品。为了了解纳米和原子尺度有多小,想象一下——网球对地球就像原子对网球一样:

一个原子有多大?夸克有多大?原子尺度,用GIF表示。

原子力显微镜通过“感觉”表面来收集信息,就像手指一样,但规模要小得多。它使用一个尖端非常锋利的微型探针来感应力的微小变化。这个简单而聪明的想法是在20世纪80年代初发明的,并在1986年获得诺贝尔奖。

原子力显微镜的应用

AFM扫描就像是在表面上拖动手指,但比例要小得多

虽然最常用于想象小尺度结构,AFM对于测量局部电气、机械和其他材料性能也很有价值。此外,它适用于各种材料,包括导电和绝缘、透明和不透明、柔软和坚硬等。

因此,原子力显微镜已成为应用于整个研发领域的一种“通用”工具,从分子和细胞生物学的基础研究、bob综合app官网登录自底向上的组装到组装,无所不包二维材料到微电子、塑料和橡胶、能源存储和能源产生设备的工业工作。下面的应用领域说明了AFM的能力和多功能性(点击下面的AFM图像获取更多信息)。

聚合物

半导体与微电子

薄膜与涂层

原子力显微镜的应用:聚合物
AFM应用范围:半导体
AFM应用:薄膜

生物分子与膜

石墨烯及2D材料

病毒研究

原子力显微镜的应用:生物分子和膜
原子力显微镜应用:二维材料、石墨烯
原子力显微镜的应用:病毒研究、病毒学

这些资源描述了AFM如何用于特定的应用:bob综合app官网登录

原子力显bob综合app官网登录微镜在高分子科学与工程中的应用白皮书

二维材料的原子力显微镜表征白皮书

原子力显微镜在食品研究中的应用白皮书

利用高分辨率原子力显微镜成像推进病毒学研究白皮书

新兴光伏器件的AFM表征网络研讨会

薄膜分析的AFM技术网络研讨会

原子力显微镜的工作原理

原子力显微镜(AFM)是用一种叫做原子力显微镜(AFM)的仪器进行测量的。一个AFM有三个子系统分别执行:

1)传感2)探测3)定位

--加上协调这些功能的控制器电子设备。

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AFM传感器称为悬臂式,在自由端附近有一个小而尖的尖端。当足够接近样品时,尖端受样品表面的力的影响。这导致尖端移动,进而导致整个悬臂弯曲。通过激光和光探测器(一种将光转换成电信号的设备)来检测悬臂的弯曲或偏转。被称为压电驱动器的定位硬件用于在三维空间中改变悬臂和样品之间的相对位置。

地形成像

最常见的AFM测量类型是创建信号中空间变化的图像,尤其是地形(高度)。使用定位器获取图像,扫描样品上的尖端,并检测数据点的2D地图。

计算机与控制器之间的地形成像AFM接口

地形图像使许多天然和合成小规模结构的可视化成为可能:RNA、半胶束、纳米颗粒、晶体管等等。它们对于表征从自组装单分子膜和低维材料到薄膜和块体样品的表面也很有价值。在这里,可以获得关于粗糙度、缺陷、非晶和晶相以及薄膜成核和生长的信息。

除了提供3D图像外,还可以快速分析地形测量中的定量数据,以获得优值(例如,平均粗糙度)Sa)用于过程控制或其他比较。成像还可以在各种环境条件和扫描速度下执行,如下面的示例所示。其他工具,如扫描电子显微镜(SEM)和轮廓术也经常用于这些类型的测量,尽管没有一种工具提供像AFM那样详细的测量。了解更多关于表面粗糙度测量工具之间的差异

除了地形

AFM力传感概念还可以测量局部物理特性,包括电气、机械、功能和摩擦学特性。这些测量通常提供了仅靠地形成像无法获得的宝贵信息。

纳米电学表征

例如,功能特性(电气、机电和相关行为)影响从太阳能电池到非易失性存储器和数据存储的应用。bob综合app官网登录随着设备的缩小,这些特性必须在越来越小的长度尺度上进行评估。已经开发了几种AFM模式,通过传感静电、磁性和其他针尖-样品相互作用来研究纳米尺度上的功能行为。这些模式提供的信息可以帮助评估一致性,识别缺陷,以及保证质量。此外,它经常补充和丰富来自测试整个设备的探测站的数据。

纳米力学表征

在其他应用中,机械bob综合app官网登录和摩擦学性能对于其性能和可靠性至关重要。AFM对低作用力的敏感性使得机械测量具有比其他方法更高的垂直和横向分辨率。

力曲线是定量纳米力学测量的经典方法。它们最适合于柔软的生物和聚合物材料,甚至可以测量单个分子的键断裂强度。力曲线是通过使尖端在一个固定的位置进入和返回与样品接触而获得的。一个二维的力曲线阵列被称为力图或力体积,并产生不同性质(弹性模量、粘附力等)的多个图像。

然而,石墨烯和金刚石等较硬材料的力学特性对许多先进技术都很重要。为了满足这一需求,已经创建了几种AFM纳米力学模式。涉及一系列的操作方法,这些模式可以提供比力曲线方法的优势,如更快的扫描和测量粘弹性响应。

额外资源:

用于纳米级电学表征的AFM工具白皮书

压电响应力显微镜(PFM)简介网络研讨会

扫描电容显微术白皮书

纳米核糖学与原子力显微镜白皮书

结论

在短短几十年里,AFM从一项诺贝尔奖得主的发明发展成为表面分析的重要工具。虽然以成像纳米结构而闻名,但它也可以在小尺度上评估许多物理性质。最近仪器设备的进步,如更高的空间分辨率、更快的成像速度和增强的环境选项,使AFM比以往任何时候都更有价值。未来的改进将进一步扩展这些能力,确保AFM跟上科学和技术的需求。