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原子力显微镜有哪些优点和缺点

点击次数:69 发布时间:2021-09-02
  原子力显微镜(AFM)是一种扫描探针显微镜(SPM),其分辨率在纳米量级,比光学衍射极限高1000倍以上。信息是通过用机械探针“感觉”或“触摸”表面来收集的。压电元件有助于根据(电子)命令进行微小但精确的移动,从而实现精确扫描。
 
  原子力显微镜的优点:
 
  原子力显微镜与扫描电子显微镜相比有几个优点。与电子显微镜不同,电子显微镜提供样品的二维投影或二维图像,原子力显微镜提供三维表面轮廓。 此外,原子力显微镜观察的样品不需要任何会不可逆地改变或损坏样品的特殊处理(如金属/碳涂层),并且在最终图像中通常不会受到带电伪影的影响。 电子显微镜需要昂贵的真空环境才能正常工作,而大多数原子力显微镜可以在环境空气甚至液体环境中非常好地工作。 这使得研究生物大分子甚至生物有机体成为可能。 原则上,原子力显微镜可以提供比扫描电镜更高的分辨率。 它已经被证明能在超高真空(UHV)和最近在液体环境中提供真正的原子分辨率。 高分辨率原子力显微镜在分辨率上与扫描隧道显微镜和透射电子显微镜相当。原子力显微镜还可以与各种光学显微镜和光谱学技术相结合,例如红外光谱的荧光显微镜,从而产生扫描近场光学显微镜、纳米傅里叶变换红外光谱并进一步扩展其适用性。原子力显微镜和光学仪器的结合主要应用于生物科学,但最近引起了人们对光伏 ,储能研究,聚合物科学,纳米技术 甚至医学研究的浓厚兴趣。
 
  缺点:
 
  与扫描电子显微镜相比,原子力显微镜的缺点之一是扫描图像尺寸单一。在一次扫描中,扫描电镜可以对景深为毫米的平方毫米的区域进行成像,而原子力显微镜只能对最大扫描面积约为150×150微米,最大高度约为10-20微米的区域进行成像。一种改进原子力显微镜扫描区域大小的方法是以类似于千足虫数据存储的方式使用平行探针。
 
  原子力显微镜的扫描速度也是一个限制。传统上,原子力显微镜扫描图像的速度不如扫描电子显微镜快,典型扫描需要几分钟,而扫描电子显微镜能够几乎实时扫描,尽管扫描质量相对较低。原子力显微镜成像过程中相对较慢的扫描速度经常导致图像中的热漂移 使得原子力显微镜不太适合测量图像上形貌特征之间的精确距离。然而,几个快速动作的设计被建议用来提高显微镜的扫描效率,包括所谓的视频AFM(视频AFM可以以比平均扫描速度更快的视频速率获得合理质量的图像)。为了消除由热漂移引起的图像失真,已经引入了几种方法。
 
  原子力显微镜图像也可能受到非线性、滞后, 压电材料的蠕变以及 x, y, z 可能需要软件增强和过滤轴的影响。这种过滤可以“展平”真实的形貌特征。然而,较新的原子力显微镜使用实时校正软件(例如,面向特征的扫描)或闭环扫描仪,这实际上消除了这些问题。一些原子力显微镜还使用分离的正交扫描仪(相对于单个试管),这也有助于消除部分串扰问题。
 
  原子力显微镜与任何其他成像技术一样,存在图像伪影的可能性,这可能是由不合适的尖部、恶劣的操作环境,甚至是样品本身引起的,如右图所示。这些图像伪像是不可避免的;然而,它们的出现和对结果的影响可以通过各种方法减少。由过于粗糙的尖部导致的伪像可能是由于例如不适当的处理或者由于扫描过快或者表面不合理粗糙而与样品发生事实上的碰撞,从而导致尖部的实际磨损。
 
  由于原子力显微镜探头的性质,它们通常不能测量陡峭的墙壁或悬高。 特制的悬臂和原子力显微镜可以用来调节探头的侧面和上下方向(如动态接触和非接触模式),以更昂贵的悬臂、更低的横向分辨率和额外的人为因素为代价来测量侧壁。
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