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原子力顯微鏡的工作原理
閱讀：3188 發(fā)布時(shí)間：2017-6-22
1986年，G.Binning等人發(fā)明了原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscope,AFM)，AFM不僅具有很高的分辨率（橫向分辨率達(dá)到1nm，縱向分辨率達(dá)到0.01nm），而且對(duì)工作環(huán)境、樣品性質(zhì)等方面的要求也非常低，因此，AFM的出現(xiàn)為人們更多的觀察微觀世界提供了一個(gè)有效的手段和方法。
1.AFM的工作原理
在AFM上有一個(gè)安裝在對(duì)微弱力極敏感的微懸臂(Cantilever)上的極細(xì)探針(Probe)，當(dāng)針尖非常接近樣品表面時(shí),就在針尖—樣品之間產(chǎn)生極微弱的作用力(吸引或排斥力)，引起微懸臂偏轉(zhuǎn)。根據(jù)物理學(xué)原理，施加到微懸臂末端力的表達(dá)式為
F=KΔZ
式中,ΔZ表示針尖相對(duì)于試樣間的距離，K為微懸臂的彈性系數(shù)。力的變化均可以通過微懸臂被檢測(cè)。根據(jù)力的檢測(cè)方法，AFM可以分成兩類：一類是檢測(cè)探針的位移；另一類是檢測(cè)探針的角度變化[1]。由于后者在Z方向上的位移是通過驅(qū)動(dòng)探針來自動(dòng)跟蹤樣品表面形狀，因此受到樣品的重量及形狀大小的限制比前者小。
在掃描時(shí)控制這種針尖—樣品之間的作用力恒定，帶針尖的微懸臂將對(duì)應(yīng)于原子間作用力的等位面，在垂直于樣品表面方向上起伏運(yùn)動(dòng)，通過光電測(cè)系統(tǒng)(通常利用光學(xué)、電容或隧道電流方法)對(duì)微懸臂的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行掃描（圖1），測(cè)得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，將信號(hào)放大與轉(zhuǎn)換從而得到樣品表面原子級(jí)的三維立體形貌圖像。