Ⅰ AFM中樣品表面性質對測量的影響
原子力顯微鏡中探針與樣品間作用力及AFM 的應用
馬全紅 趙 冰X 張征林 朱爭鳴
(東南大學化學化工系 南京210096)
摘要 綜合討論了原子力顯微鏡(AFM) 中探針與樣品間作用力,特別是范德華力的形成機制;
並假定針尖形狀為拋物形,定量研究了針尖與樣品間作用力,探討了AFM 的若干應用。
1 前言[1～3 ]
在現代科學技術中,常常需要研究尺寸小於可見光波長的物體,例如研究單個蛋白質分
子,考察樣品中原子尺度的缺陷,設計微電子電路圖等等,幾十年來雖有許多用於表面結構分
析的現代儀器問世,但多數技術都是繁瑣的、破壞性的方法。1982 年,國際商業機器公司蘇黎
士實驗室的Gerd Binig 和Heinrich Rohrer 研製成功了掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Micro2
scope ,STM) ,1986 年又推出了原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope ,AFM) ,從而打開了直接觀
測微觀世界的大門。
掃描隧道顯微鏡利用量子理論中的隧道效應,控制隧道電流的恆定而使探針隨表面起伏
運動,從而描繪出表面態密度的分布或原子排列的圖象,STM 只能直接觀察導體和半導體的表
面結構,在原子力顯微鏡中,不再要求試樣具有導電表面,而是利用探針尖端原子與試樣表面
原子的電子雲相重疊時所產生的作用力,大大擴展了它的適用范圍,適用於更多類型材料的表
面成像。AFM 的工作原理接近指針輪廓儀,且採用STM 技術。其原理示意圖見圖1:
將一個對微弱力極敏感
的微懸臂一端固定,其彈性常
數比原子間彈性常數低一個
數量級, 另一端有微小針尖,
由於針尖尖端原子與樣品原
子間存在極微弱的作用力
(10 -8 ～10 -6N) ,掃描時控製作
用力的恆定,帶針尖的微懸臂圖1 STM 和AFM 原理示意圖
將對應於原子間作用力的等
位面,在垂直於樣品表面方向起伏運動,利用光學檢測法或隧道電流檢測法,測得微懸臂對應
於掃描各點的位置變化,從而獲得樣品表面原子級形貌信息。
X 東南大學生醫系生物電子學實驗室
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圖2 虛光子分布示意圖
2 AFM 中探針和樣品間作用力[4～6]
2. 1 范德華力
任何物體在它的內部或表面都存在有波動電磁場,一部分表現為傳輸波,一部分表現為有
阻尼、按指數衰減的「瞬時」波,這種輻射場主要有兩個來源:量子振動和永久多電極的熱激發。
在AFM 探針逐漸靠近樣品表面時,產生「虛光子圖像」(virtual
photon image) ,如圖2 所示。針尖與樣品相距很遠時,其表面附
近將出現一定的虛光子分布。當它們靠近後虛光子彼此發生
交換作用, 從而引起二者之間的宏觀范德華力( VDW) 。
Dzyalosdinskii ,Lifshitz 和Pitaevskii (DLP) 運用量子場統計物理的
方法,首次計算了浸在水溶液中的兩個宏觀物體之間互相作用
所產生的范德華力,其相互作用力的大小和范圍以一種復雜的
方式依賴於探針、樣品和針尖附近樣品表面的微觀幾何特徵和
介電特性。在非接觸式AFM 中,可進行合理的幾何假設並假定探針和樣品具有類似球體的各
向同性介電性質,這樣就可以用DLP 形基本框架進行研究。為此可提出「Hamaker 常數」、「非
阻滯Hamaker 常數」「、阻滯波長」3 個常數來完整地表述由探針、樣品和環境介質所組成的系
統,把非接觸AFM 作為圖像形貌和表面分析的一個理想工具。
2. 2 其他作用力
針尖與樣品表面可能發生形變,從而有形變(或粘滯) 力,若探針和樣品接觸到液體,則常
會觀察到它們表面帶有電荷,產生靜電力;此外,特定材料的探針和樣品,可能會有磁力,樣品
表面可能存在液體而產生表面張力,以及一些由於彼此間化學結合而產生的作用力。若對探
針和樣品進行預處理和精心設計,可避免形變力、磁力、表面張力、化學作用力等影響,作為近
似計算,可以只考慮斥力和范德華力。
2. 3 作用力的定量研究
根據Lennard2Janes 公式,原子間的相互作用勢能如下:
αβ
u(r) = 12 -6 (1)
rr
其中, r 是所研究的原子之間的距離,α、β為相互作用參數,第一項是相互排斥作用勢能,
第二項是范德華力的相互吸引作用勢能。
首先求算范德華力,正象文獻[5] 中所指出的「宏觀物體間的范德華力是由它們中單個原
子間作用的總和決定的」,據此可以確定此長程力隨距離的變化規律。假設針尖繞Z 軸旋轉
成拋物形,尖端的曲率半徑設為R,d 為針尖至樣品平面距離,則有針尖方程為:
22
x +y
Z= 2 R
+d (2)
計算樣品平面( x. y) 和單個針尖原子之間的引力勢能u( l) ,忽略樣品的有限尺寸引起的
邊緣效應,可以得到:
βn1π
u(l) =-
6 l2 (3)
式中, l 是從針尖原子到樣品之間的距離,n1 是樣品的原子密度。
此式對高為H 的拋物形針尖進行積分,經整理得到范德華引力為:
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AR d2
Fatt =-
6 d2 (1 -3
H2 ) (式中A 為Hamarker 常數) (4)
再求算斥力,針尖和樣品間的斥力是短程力,一般可表示為exp ( -r/ r0), r0 為相互作用
半徑(<0.1nm) ,其有效相互排斥僅發生在最近的原子之間,由此得到針尖和樣品間的斥力勢
能:
urep = αN/ d12 (5)
α為參數,N 是針尖尖端的有效原子數,在一般的研究中可根據針尖的半徑來確定。若考
慮針尖尖端發生形變,樣品形變忽略不計,對形變後的針尖和平面樣品進行積分,得斥力為:
Frep = 4π2αn1 n2 r 40 R(1 +
Δr0
d) exp (-
d+
r0
Δd) (6)
式中d 為非形變針尖和樣品間距,Δd 為針尖形變數, n2 是針尖原子密度。
最終可求得針尖和樣品表面作用力為:
Ftot =
12αN-
AR
-3 d2
(7)
d13 6 d2 (1
H2)
2. 4 其他形狀的針尖
在前面的討論中我們假定了針尖為拋物形,實際針尖可能是其它形狀,如圓錐形、雙曲線、
球形等等。但不管何種針尖,只要保持曲率半徑R 不變,斥力就相同, 而引力與長程相互作用
有關,隨針尖形狀不同,可以對(3) 式按針尖形狀進行積分得到引力。經計算發現,如果曲率半
徑R > 10nm , 無論選擇何種形狀針尖得到的Ftot 都是一樣的。在一般的實驗中這個條件可以
得到滿足。
3 AFM 的應用前景[7～11]
AFM 具有解析度高、成本低、消耗低、工作范圍寬等一系列優點, 可在真空、大氣、溶液、常
溫、低溫等不同的環境下工作,已被大量應用於表面分析領域,通過對表面形貌的分析、歸納、
總結,可進一步得到更深層次的信息。
用AFM 已經獲得了包括絕緣體和導體在內的許多不同材料的原子級解析度圖像,首先獲
得的是層狀化合物圖像,如石墨、MoS2 和氮化硼等。其後又在大氣和水覆蓋下獲得在雲母片
上外延生長的金膜表面的原子圖像,還得到了LiF 和NaCl 等離子晶體的原子級解析度圖像。
沸石是在原子或分子尺度上具規則小孔或多通道結構的結晶硅鋁酸鹽,已廣泛應用於化
學工業中,用AFM 可實時觀察中性分子和離子在沸石表面的吸附,進而闡明分子篩網內外表
面化學、表面結構和多相催化等許多關於沸石的化學本質。
Si (111) 表面的7 ×7 重構是表面科學中熱點問題之一,曾提出多種理論和實驗技術,採用
AFM/ STM 技術相結合可測得硅活性表面Si (111) -7 ×7 的原子解析度圖像,同時發現GaAs
(110) 有類似於Si (110) 面的鏈狀化學結構,通過表面態密度的能量關聯來區分同一晶胞的不
同化學元素,此技術可推廣到其他異質系統。
AFM 還可以在原子級解析度的水平上對浸在電解液中的電極進行現場觀察,由於AFM 的
針尖可以是不參與電化學反應的非導體,因而比用STM 更為有利。
除了觀察原子級平坦的表面結構之外,AFM 還成功地應用於觀察吸附在基底上的有機分
子和生物樣品,如山梨酸、DNA 、紅紫膜和蛋白質表面,在水下進行AFM 實驗除了允許在較小
相互作用力下工作外,還提供了在生理環境中直接觀察生物樣品的可能性。Quate 等人用AFM
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實時觀察了一種在血液塊凝中起重要作用的蛋白質——血纖維蛋白原的聚合過程,顯示了
AFM 在研究實時生物過程中微妙細節的能力。
Hansma 和Radmacher 等綜合評述了AFM 在有機樣品從分子分辨有機薄膜到活的細胞應
用, 討論了圖像形成機理和新的成像模式,觀察了L2B 膜,同時指出在活性位上「寫」或「擦去」
分子以及控制分子的技術,可為新一代生物感測器奠定基礎。近年來又運用AFM 技術在細胞
上直接觀測到核膜孔、細胞骨架的重排,DNA 和RNA 聚合酶的相互作用、霍亂黴素和百日咳霉
素的結構等, 表明了AFM 在揭示生物和葯物分子結構中的重要作用。
AFM 不僅可以觀察在小范圍內的精細結構,在大尺度物體的形貌觀察中也起著重要作
用,如研究紅血細胞、白血細胞、光碟中的記錄位、集成電路晶元、半導體的傾斜超晶格結構等。
利用AFM 測量中對力的極端敏感性,可以測量樣品表面的納米級力學性質如彈性、塑性、
硬度和粘著力等,還能在原子水平上測量摩擦力,研究摩擦機理和液晶分子取向。在半導體技
術中用於分析晶粒尺寸、表面微粗糙度、表面缺陷和臨界尺寸,表徵平面結構和半導體薄膜,優
化清洗和刻蝕工藝等微細加工過程。
大量實例表明AFM 作為一項獨立的表面結構分析方法, 已日趨成熟。它能夠得到原子
級解析度的圖像,測量原子表面間作用力,分辨出單個原子。實時的得到表面三維圖象,及對
應於表面電子密度的形貌;觀察單個原子層的局部表面結構、表面缺陷、表面重構、表面吸附體
的形態和位置,以及由吸附體引起的表面重構等;測量表面的彈性、塑性、硬度、粘著力、摩擦力
等性質。配合掃描隧道譜還可得到有關表面電子結構的信息,例如表面的不同層次的態密度、
表面電子阱、表面勢壘的變化和能隙結構等。可以預料AFM 在表面科學、材料科學、生命科學
等領域中有著廣闊的應用前景。
參 考 文 獻
1 Rnggar D. Physical Today , 1990 ,43(9) :23～30
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11 張亦奕1 電子顯微學新進展1 合肥:中國科技大學出版社,1996
(上接第28 頁) 參 考 文 獻
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Ⅱ 誰是最可愛的人嘉湯薨欷鴻售匚媛afmsahnud
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Ⅲ SMC氣動過濾器AF30和油霧分離器AFM30進出氣口，正好相反，為什麼這樣設計
AF級是除去壓縮空氣中的固態雜質、水滴和污油滴等，不能除去氣態油、水。進氣方式回是外進內出。從進口流入的壓縮答空氣，經導流片的切線方向的缺口強烈旋轉，液態油水及固態污染物受離心作用，被甩到水杯內壁上，再流至底部。除去了液態油水及雜質的壓縮空氣，通過濾芯進一步清除微小固態顆粒，然後從出口流出。
AFM級是分離掉空氣過濾器難以分離掉的0.3~5μm氣狀溶膠油粒子及大於0.3μm的銹末、碳粒。進氣方式是內進外出。壓縮空氣從進口流入濾芯內側，再流向外側。進入纖維層的油粒子，依靠其運動慣性被攔截、並相互碰撞或粒子與多層纖維碰撞，被纖維吸附。更小的粒子因布朗運動被纖維吸收。且越往外，粒子逐漸增大而成為液態，凝聚在特殊的泡沫塑料層表面，在重力作用下流落至杯子底部再被排出。.
因為過濾的顆粒的大小和對象不同，過濾器設計時採用了不同內部的結構，從而使過濾器達到更好的過濾效果。所以進出氣口相反。
Ⅳ CNG過濾器介質經濾芯內進外出與外進內出的區別是什麼
AF級是除去壓縮空氣中的固態雜質、水滴和污油滴等，不能除去氣態油、水。進氣方式內是外進容內出。從進口流入的壓縮空氣，經導流片的切線方向的缺口強烈旋轉，液態油水及固態污染物受離心作用，被甩到水杯內壁上，再流至底部。除去了液態油水及雜質的壓縮空氣，通過濾芯進一步清除微小固態顆粒，然後從出口流出。
AFM級是分離掉空氣過濾器難以分離掉的0.3~5μm氣狀溶膠油粒子及大於0.3μm的銹末、碳粒。進氣方式是內進外出。壓縮空氣從進口流入濾芯內側，再流向外側。進入纖維層的油粒子，依靠其運動慣性被攔截、並相互碰撞或粒子與多層纖維碰撞，被纖維吸附。更小的粒子因布朗運動被纖維吸收。且越往外，粒子逐漸增大而成為液態，凝聚在特殊的泡沫塑料層表面，在重力作用下流落至杯子底部再被排出。.
因為過濾的顆粒的大小和對象不同，過濾器設計時採用了不同內部的結構，從而使過濾器達到更好的過濾效果。所以進出氣口相反。
Ⅳ CNG過濾器介質經濾芯內進外出與外進內出的區別是什麼
AF級是除去壓縮空氣中的固態雜質、水滴和污油滴等，不能除去氣態油、水。進氣方式是外進內出。從進口流入的壓縮空氣，經導流片的切線方向的缺口強烈旋轉，液態油水及固態污染物受離心作用，被甩到水杯內壁上，再流至底部。除去了液態油水及雜質的壓縮空氣，通過濾芯進一步清除微小固態顆粒，然後從出口流出。
AFM級是分離掉空氣過濾器難以分離掉的0.3~5μm氣狀溶膠油粒子及大於0.3μm的銹末、碳粒。進氣方式是內進外出。壓縮空氣從進口流入濾芯內側，再流向外側。進入纖維層的油粒子，依靠其運動慣性被攔截、並相互碰撞或粒子與多層纖維碰撞，被纖維吸附。更小的粒子因布朗運動被纖維吸收。且越往外，粒子逐漸增大而成為液態，凝聚在特殊的泡沫塑料層表面，在重力作用下流落至杯子底部再被排出。.
因為過濾的顆粒的大小和對象不同，過濾器設計時採用了不同內部的結構，從而使過濾器達到更好的過濾效果。所以進出氣口相反。
Ⅵ 熱高壓分離器和冷高壓分離器的區別
工作原理、炭粒，依靠其運動慣性被攔截、並相互碰撞或粒子與多層纖維碰撞，且濾芯有金屬骨架。裝在電磁先導閥及間隙密封滑閥的氣源上最合適，可不適用前置過濾器。本濾芯以超細纖維和玻璃纖維材料為主：AM系列油霧分離器與AFF系列主管路過濾器的結構相類似.3~0，僅濾芯材料不同作用。想要了解跟多的油霧分離器可以無無錫斯麥特看看：可在離掉主管路過濾器和空氣過濾器難以分離掉的0。AFM系列油霧分離器的壓縮空氣從進口流入濾芯內側，兩端靠橡膠密封，且越往外。由於濾芯過濾面積大，再流向外側，氣狀溶膠粒子及大於0.5μm.3μm的銹末，故其使用壽命長，凝聚在特殊泡沫塑料層表面，粒子逐漸增大而成為液態。進入纖維層的油粒子，被纖維吸附。更小的粒子布朗運動被纖維吸附，在重力作用下流落至杯底部再被排出
Ⅶ 油霧分離器的作用及工作原理是什麼
油霧分離器壓縮空氣從進口流入濾芯內側，再流向外側。進入纖維層的油粒子，依靠回其運動慣性被答攔截，並相互碰撞或粒子與多層纖維碰撞，被纖維吸附。更小的粒子被纖維吸附，且越往外，粒子逐漸增大而成為液態，凝聚在特殊泡沫塑料層表面，在重力作用下流落至杯底部再被排出。