原子力显微镜的原理、结构

      原子力显微镜(AFM)用一个微小的探针来“摸索”微观世界，它超越了光和电子波长对显微镜分辨率的限制，在立体三维上观察物质的形貌，并能获得探针与样品相互作用的信息。原子力显微镜具有分辨率高、操作容易、样品准备简单、操作环境不受限制、分辨率高等优点。因此，原子力显微镜正在迅速应用于科学研究的许多领域，并且取得了许多重大的科研成果。

原子力显微镜的工作原理

　　原子力显微镜是用一个一端装有探针而另一端固定的弹性微悬臂来检测样品表面信息的。当探针扫描样品时，与样品和探针距离有关的相互作用力作用在针尖上，使微悬臂发生形变。原子力显微镜系统就是通过检测这个形变量，从而获得样品表面形貌及其他表面相关信息。

　　1、原子力作用机制

　　当两个物体的距离小到一定程度的时候，它们之间将会有原子力作用。这个力主要与针尖和样品之间的距离有关。从对微悬臂形变的作用效果来分，可简单将其分为吸引力和排斥力，它们分别在不同的工作模式下、不同的作用距离起主导作用。探针与样品的距离不同，作用力的大小也不相同。

　　2、原子力显微镜的成像原理

　　原子力显微镜的微悬臂绵薄而修长，当对样品表面进行扫描时，针尖与样品之间力的作用会使微悬臂发生弹性形变，针尖碰到样品表面时，很容易弹起和起伏，它非常的灵敏，极小的力的作用也能反应出来。也就是说如果检测出这种形变，就可以知道针尖-样品间的相互作用力，从而得知样品的形貌。

　　微悬臂形变的检测方法一般有电容、隧道电流、外差、自差、激光二极管反馈、偏振、偏转方法。偏转方法是采用最多的方法，也是原子力显微镜批量生产所采用的方法。

原子力显微镜结构

　　原子力显微镜系统可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。

　　原子力显微镜力检测部分：

　　原子力显微镜使用微小悬臂可检测原子之间的范德华力变化量。微悬臂通常由一个100～500um长和0.5～5 um厚的硅片或氮化硅片制成，微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品与针尖间的相互作用力。微悬臂有一定的规格，如长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状。实验中，依照样品的特性、实验操作模式选择不同规格的探针。

　　原子力显微镜位置检测部分：

　　当针尖与样品之间有了相互作用之后，会使得微悬臂摆动，照射在微悬臂的末端的激光束，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，激光光斑位置检测器将偏移量记录下来并转换成电

　　原子力显微镜反馈系统：

　　在原子力显微镜反馈系统中会将电信号当作反馈信号，驱使由压电陶瓷管制作的扫描器做适当移动，以保持样品与针尖之间的作用力恒定。

　　原子力显微镜使用压电陶瓷管制作的扫描器精确控制微小的扫描移动。压电陶瓷是一种性能奇特的材料，当在压电陶瓷对称的两个端面加上电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。而伸长或缩短的尺寸与所加电压的大小呈线性关系。也就是说，可以通过改变电压控制压电陶瓷的微小伸缩。通常把三个分别代表X、Y、Z方向的压电陶瓷块组成三角架的形状，通过控制X、Y方向伸缩达到驱动探针在样品表面扫描的目的;通过控制Z方向压电陶瓷的伸缩达到控制探针与样品之间距离的目的。

　　原子力显微镜系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的距离始终保持在纳米量级，距离太大不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品;反馈回路的作用就是在工作过程中，由探针得到探针与样品相互作用的强度，来改变加在样品扫描器垂直方向的电压，从而使样品伸缩，调节探针和被测样品间的距离，反过来控制探针一样品相互作用的强度，实现反馈控制。因此，反馈控制是原子力显微镜的核心工作机制。