原子力顯微鏡的工作原理

1986年，G.Binning等人發明了原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscope,AFM)，AFM不僅具有很高的分辨率（橫向分辨率達到1nm，縱向分辨率達到0.01nm），而且對工作環境、樣品性質等方面的要求也非常低，因此，AFM的出現為人們更多的觀察微觀世界提供了一個有效的手段和方法。

1.AFM的工作原理

在AFM上有一個安裝在對微弱力極敏感的微懸臂(Cantilever)上的極細探針(Probe)，當針尖非常接近樣品表面時,就在針尖—樣品之間產生極微弱的作用力(吸引或排斥力)，引起微懸臂偏轉。根據物理學原理，施加到微懸臂末端力的表達式為

F=KΔZ

式中,ΔZ表示針尖相對于試樣間的距離，K為微懸臂的彈性系數。力的變化均可以通過微懸臂被檢測。根據力的檢測方法，AFM可以分成兩類：一類是檢測探針的位移；另一類是檢測探針的角度變化[1]。由于后者在Z方向上的位移是通過驅動探針來自動跟蹤樣品表面形狀，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應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動，通過光電測系統(通常利用光學、電容或隧道電流方法)對微懸臂的偏轉進行掃描（圖1），測得微懸臂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。