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介紹原子力顯微鏡的三種工作模式

點擊次數:1545  發布時間:2020-12-28
 
  原子力顯微鏡,一種可用來研究包括絕緣體在內的固體材料表面結構的分析儀器。它通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質的表面結構及性質。將一對微弱力敏感的微懸臂一端固定,另一端的微小針尖接近樣品,這時它將與其相互作用,作用力將使得微懸臂發生形變或運動狀態發生變化。掃描樣品時,利用傳感器檢測這些變化,就可獲得作用力分布信息,從而以納米級分辨率獲得表面形貌結構信息及表面粗糙度信息。
  原子力顯微鏡的工作模式是以針尖與樣品之間的作用力的形式來分類的。主要有以下3種操作模式:接觸模式(contactmode),非接觸模式(non-contactmode)和敲擊模式(tappingmode)。
  一、接觸模式
  從概念上來理解,接觸模式是AFM直接的成像模式。AFM在整個掃描成像過程之中,探針針尖始終與樣品表面保持緊密的接觸,而相互作用力是排斥力。掃描時,懸臂施加在針尖上的力有可能破壞試樣的表面結構,因此力的大小范圍在10-10~10-6N。若樣品表面柔嫩而不能承受這樣的力,便不宜選用接觸模式對樣品表面進行成像。
  二、非接觸模式
  非接觸模式探測試樣表面時懸臂在距離試樣表面上方5~10nm的距離處振蕩。這時,樣品與針尖之間的相互作用由范德華力控制,通常為10-12N,樣品不會被破壞,而且針尖也不會被污染,特別適合于研究柔嫩物體的表面。這種操作模式的不利之處在于要在室溫大氣環境下實現這種模式十分困難。因為樣品表面不可避免地會積聚薄薄的一層水,它會在樣品與針尖之間搭起一小小的毛細橋,將針尖與表面吸在一起,從而增加對表面的壓力。
  三、敲擊模式
  敲擊模式介于接觸模式和非接觸模式之間,是一個雜化的概念。懸臂在試樣表面上方以其共振頻率振蕩,針尖僅僅是周期性地短暫地接觸/敲擊樣品表面。這就意味著針尖接觸樣品時所產生的側向力被明顯地減小了。因此當檢測柔嫩的樣品時,AFM的敲擊模式是好的選擇之一。一旦AFM開始對樣品進行成像掃描,裝置隨即將有關數據輸入系統,如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰頂之間的大距離等,用于物體表面分析。同時,AFM還可以完成力的測量工作,測量懸臂的彎曲程度來確定針尖與樣品之間的作用力大小。
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