原子力显微镜.ppt

原子力显微镜(Atomic Force Microscopy)
1982年,IBM公司苏黎世实验室的两位科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜(STM)
应用电子的“隧道效应”这一原理,对导体或半导体的表面进行观测
隧道效应:
经典物理学认为,物体越过势垒,有一阈值能量;粒子能量小于此能量则不能越过,大于此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡,先用力骑,如果坡很低,不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高,不蹬自行车,车到一半就停住,然后退回去。
量子力学则认为,即使粒子能量小于阈值能量,很多粒子冲向势垒,一部分粒子反弹,还会有一些粒子能过去,好像有一个隧道,故名隧道效应(quantum tunneling)。虽然在通常的情况下,隧道效应并不影响经典的宏观效应,因为隧穿几率极小,但在某些特定的条件下宏观的隧道效应也会出现。
STM就是运用了“隧道效应”这一原理,如图:
探针与样品之间的缝隙就相当于一个势垒,电子的隧道效应使其可以穿过这个缝隙,形成电流,并且电流对探针与样品之间的距离十分敏感,因此通过电流强度就可以探知探针与样品之间的距离
STM的原理是电子的“隧道效应”,所以只能测导体和部分半导体
1985年,IBM公司的Binning和Stanford大学的Quate研发出了原子力显微镜(AFM),弥补了STM的不足
原子间范德华力
原子间范德华力随原子间距的变化关系
原子力显微镜(AFM)系统是利用微小探针与待测物之间交互作用力,来呈现待测物的表面之物理特性。两种典型操作模式:
(1)非接触式(non-contact ) AFM:利用针—样间原子吸引力的变化而产生试样表面轮廓;探针与试样的距离约数十到数百Å,其原子间作用力很小,一般≈10­12 N.
(2)接触式(contact) AFM:利用针—样间原子斥力的变化而产生试样表面轮廓;探针与试样的距离约数个Å,斥力在10-8-10-6 N的范围.
在生物医学研究中,最常用的一种模式是敲击模式(tapping AFM):
在敲击模式中,一种恒定的驱使力使探针悬臂以一定的频率振动。当针尖刚接触样品时,悬臂振幅会减少到某一数值。在扫描过程中,反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒定,也就是说作用在样品上的力恒定,通过记录压电陶瓷管的移动得到样品表面形貌图。