原子力显微镜(AFM)原理及纳米材料表面形貌分析

目      录

中文摘要及关键词……………………………………………………………………………………………1

前言……………………………………………………………………………………………………………1

1 原子力显微镜(AFM) ………………………………………………………………………………………2
   1.1 基本原理………………………………………………………………………………………2
 1.2 原子力显微镜系统结构 …………………………………………………………………………3
 1.3 原子力显微镜的工作模式………………………………………………………………………4
  1.3.1 接触模式………………………………………………………………………………4
1.3.2 非接触模式………………………………………………………………………………4
1.3.3轻敲模式…………………………………………………………………………………5
1.4 原子力显微镜的关键部分………………………………………………………………………5
1.5 原子力显微镜微悬臂弯曲的检测方式…………………………………………………………5
1.6 原子力显微镜的主要应用领域…………………………………………………………………6

1.7 原子力显微镜的应用前景………………………………………………………………………7

1.8 原子力显微镜离线软件处理系统………………………………………………………………7

2  纳米材料表面形貌分析……………………………………………………………………………7

2.1 ZnO 薄膜…………………………………………………………………………………………8

2.3 光栅…………………………………………………………………………………………9
 
 2.4 石墨…………………………….………………………………………………………………10

3 结论……………………………………………………………………………………………………

参考文献……………………………………………………………………………………………………11

英文摘要及关键词…………………………………………………………………………………………12

致谢…………………………………………………………………………………………………………12
原子力显微镜(AFM)原理及纳米材料表面形貌分析
 
摘  要: 本在第1部分阐述了原子力显微镜(AFM)的基本原理,对原子力显微镜的系统结构，工作模式，关键部分，检测方式，主要用途，应用前景及其操作软件作了详尽的介绍。本在第2部分利用原子力显微镜对ZnO薄膜、ＤＶＤ母盘、光栅和石墨4种纳米材料进行了表征分析，介绍了它在材料表面形貌分析中的具体应用，突出了它在材料表面形貌分析中的优势。原子力显微镜作为1种强有力的表面表征工具，利用它对材料表面进行实时扫描，我们不仅可以表征材料表面的3维形貌，还能定量地研究材料表面的粗糙度、均匀度、颗粒大小等，准确获得材料的表面形貌信息，从而可以分析出材料表面特征，为材料物理性质的研究提供重要的依据。原子力显微镜是现代微观材料研究领域中的重要工具，它的1些其他应用还有待进1步开发，具有10分广阔的前景。 （科教作文网http://zw.nseAc.com）
关键词: 扫描隧道显微镜（STM）；原子力显微镜(AFM)；微观形貌；性能分析；颗粒分析；剖面分析；
The Principles of  Atomic Force Microscope（AFM）And The
Analysis of Nanometer Materials Surface Topography
 
Abstract: At the first part , the paper elaborated the principles of the Atomic Force Microscope （AFM）, and introduced the systematic structure，mode of operation , key components , testing methods , main purpose , application prospects and operation software of the Atomic Force Microscope (AFM)..At the second part, the paper used the Atomic Force Microscope (AFM) to analyze zinc oxide membrane, DVD home plate, raster and graphite the four Nan materials, elaborated its specific application in the material surface topography analysis, and highlighted its advantages. Atomic force microscope as a powerful tool for surface expression, using it to conduct real-time scanning imaging manometer material surface, we can not only
represent the 3D surface materials externalities, but also can make a quantitative study of the surface roughness, even degrees, particle size of material, and so on. After accessing to the material surface topography information accurately, we can analyze its surface features and provide important basis for the physical nature of the study. Atomic Force Microscope is a very important tool in modern micro materials research, some other applications still requires further development, and it has a great prospects in application.
Key words: Scanning Tunnel Microscope（STM）；Atomic Force Microscope（AFM）；Microscopic appearance； Pellet analysis；Section analysis；

前言
1982年，Gerd Binning及其合作者在IBM公司苏黎世实验室共同研制成功了第1台扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope，STM)，其发明人Binning 因此获得1986 年的诺贝尔物理奖[1]。扫描隧道显微镜的工作原理是：当探针与样品表面间距小到纳米级时，按照近代量子力学的观点，由于探针尖端的原子和样品表面的原子有波动性，两者的波函数相互叠加，故在两者间会产生电流，该电流称为隧道电流，且该隧道电流在纳米级的距离下随距离的变化非常显著。STM就是通过检测隧道电流来反映样品表面形貌和结构的。STM要求样品表面能够导电，从而使得STM只能直接观察导体和半导体的表面形貌；对于非导电的物质则要求样品覆盖1层导电薄膜，但导电薄膜的颗粒度和均匀性难以保证，且导电薄膜会掩盖样品表面的许多细节，因而使得STM的应用受到限制。为了克服STM的不足，Binning、Quate和Gerber于1986年研制出了原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)。AFM是通过探针与被测样品之间微弱的相互作用力(原子力) 来获得物质表面的形貌信息。因此，AFM除导电样品外，还能够观测非导电样品的表面结构，其应用领域更为广阔。AFM的分辨率可达到原子级水平，其横向分辨率可达0.1nm，纵向分辨率可达0.01nm。STM和AFM及其它1些相关产品统称为扫描探针显微镜（scanning probe microscope, SPM）。扫描探针显微镜(SPM）的技术核心在于它具有极高的可控空间定位精度（优于0.1nm量级），因而使得它不但具有极高的分辨率（可达原子级分辨），而且具有极高的操纵和加工精度（可实现单原子操纵）。 内容来自www.nseac.com
表1为目前国际上应用较广、也相对比较成熟的几种扫描探针显微镜仪器：