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原子力显微镜的工作原理

点击次数:1440 发布时间:2017-06-22
 1986年,G.Binning等人发明了原子力显微镜(AtomicForceMicroscope,AFM)AFM不仅具有很高的分辨率(横向分辨率达到1nm,纵向分辨率达到0.01nm),而且对工作环境、样品性质等方面的要求也非常低,因此,AFM的出现为人们更多的观察微观世界提供了一个有效的手段和方法。

1.AFM的工作原理

AFM上有一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂(Cantilever)上的极细探针(Probe),当针尖非常接近样品表面时,就在针尖—样品之间产生极微弱的作用力(吸引或排斥力),引起微悬臂偏转。根据物理学原理,施加到微悬臂末端力的表达式为

F=KΔZ

式中,ΔZ表示针尖相对于试样间的距离,K为微悬臂的弹性系数。力的变化均可以通过微悬臂被检测。根据力的检测方法,AFM可以分成两类:一类是检测探针的位移;另一类是检测探针的角度变化[1]。由于后者在Z方向上的位移是通过驱动探针来自动跟踪样品表面形状,因此受到样品的重量及形状大小的限制比前者小。

在扫描时控制这种针尖—样品之间的作用力恒定,带针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的等位面,在垂直于样品表面方向上起伏运动,通过光电测系统(通常利用光学、电容或隧道电流方法)对微悬臂的偏转进行扫描(图1),测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化,将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像。

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