
“Just like a blind people who uses his hands to observe this word, this time, we use AFM to see the
fact, we use the probe of AFM to measure the small force between the probe and the surface. And then we use computer to analyze the force and get the image of the surface.”这是答主defence时用的稿子,自恋的拿出来晒晒~
当时在做AFM的presentation时候就在知乎上面找了半天结果并没有发现特别专业或者详细的介绍(虽然我也不敢保证我的就能专业到哪里去)于是答主也做了一番功课,畅游了维基百科还有Duke Library的数据库,再加上百度还有google上的各种ppt以及paper,不求能介绍的很有深度但基本上文科理科的同学们应该都能看懂。
首先要介绍的是有关AFM的历史,虽然历史部分还有结构部分是我的partner的任务,但在此我也只能代替她略微介绍一下了。说起AFM就不得不
提到STM(Scanning Tunneling Microscope)STM隧道扫描显微镜由IBM实验室 Gerd Binnig 和 Heinrich Rohrer两位科学家于1982年研制而成,STM利用了量子隧穿效应使得科学家可以通过观察电流的变化得到材料表面纳米级别的图像(具体的原理我也不多介绍了估计介绍起来可以有和AFM一样的篇幅)这两位科学家由于开创出一种全新的观测方式,为人们观察材料以及物质表面结构提供了更高的精度,从而可以更加深入的研究材料的性质等等等等,他们获得了1986年的诺贝尔物理学奖。同年,IBM实验室的另一位科学家Binnig也实现了AFM的实验室化。
下图是AFM的结构简图
图中已经把各个结构的名称标注的很清楚了,其中我来重点提几个使AFM的出现成为可能的科学技术
3.Piezoelectric element 压电模块
4.Probe tip 针头5.Detector 探测器
好的,就像答主在开头提到的稿子中所说的那样,AFM的原理其实并不难懂,科学家们通过probe处极为尖细的tip(通常只由几个原子组成)来“触摸”材料表面,再通过与probe相连的cantilever(悬臂),通过测量悬臂的位置变化来间接的了解到材料表面的具体情况。当然这几个步骤所要求的技术难度还是很大的,比如如何制作如此细小的针头,如何感知到如此细微的变化,而且到底哪里和原子力有关,接下来我会一点点来介绍。而且到底哪里和原子力有关
好的现在总算到了答主当时的部分了
1.AFM是如何工作的?
AFM通过测量针尖(<10nm)与材料表面原子之间作用力在一个很短的距离里(0.2nm-10nm),来获取材料表面三维纳米尺度成像。 针尖由悬臂支撑,当针尖缓慢触碰材料表面会仪器会记录下针尖与表面相互作用力的变化。
2.那么如何测量这个力呢?
其实这个问题并不难回答,首先probe是由一个cantilever支撑的,这个cantilever拥有很好的弹性并且已经得知了它的spring constant(弹性系数)这样我们就可以用初中学过的胡克定律
F=-K*X
来解决这个问题,然后X的测量就是上图中所提到的利用激光或者也有直接使用压电材料来得到位置变化从而测得力的大小。
3.测量的是什么力?
虽然直面翻译是原子力(Atomic Force)但说白了其实是就是初中就学过的范德华力(其实还有其他的)
范德华力是一种大家都比较熟悉的分子间作用力,四大力中属于电磁力的范畴。
我又懒了,前面有什么问题可以告诉我我提前修改~
