原子力顯微鏡的原理

AFM 是在STM 基礎上發展起來的，是通過測量樣品表面分子(原子)與AFM 微懸臂探針之間的相互作用力，來觀測樣品表面的形貌。AFM 與STM 的主要區別是以1 個一端固定而另一端裝在彈性微懸臂上的尖銳針尖代替隧道探針，以探測微懸臂受力產生的微小形變代替探測微小的隧道電流。其工作原理：將一個對極微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸。由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，通過在掃描時控制這種作用力恒定，帶有針尖的微懸臂將對應于原子間的作用力的等位面，在垂直于樣品表面方向上起伏運動。利用光學檢測法或隧道電流檢測法，可測得對應于掃描各點的位置變化，將信號放大與轉換從而得到樣品表面原子級的三維立體形貌圖像。AFM 主要是由執行光柵掃描和z 定位的壓電掃描器、反饋電子線路、光學反射系統、探針、防震系統以及計算機控制系統構成。壓電陶瓷管(PZT)控制樣品在x、y、z 方向的移動，當樣品相對針尖沿著xy 方向掃描時，由于表面的高低起伏使得針尖、樣品之間的距離發生改變。當激光束照射到微懸臂的背面，再反射位置靈敏的光電檢測器時，檢測器不同象限收到的激光強度差值，同微懸臂的形變量形成一定的比例關系。反饋回路根據檢測器信號與預置值的差值，不斷調整針尖、樣品之間的距離，并且保持針尖、樣品之間的作用力不變，就可以得到表面形貌像。這種測量模式稱為恒力模式。當已知樣品表面非常平滑時，可以采用恒高模式進行掃描，即針尖、樣品之間距離保持恒定。這時針尖、樣品之間的作用力大小直接反映了表面的形貌圖像。