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原子力显微镜的基本工作原理

点击次数:3029 发布时间:2015-12-18
原子力显微镜的基本工作原理 
 
原子力显微镜系统主要由以下几部分组成:(1)带针尖的力敏感元件;(2)力敏感元件运动检测装置;(3)监控力敏感元件运动的反馈回路;(4)扫描系统(一般使用压电陶瓷),其作用是使样品进行扫描运动;(5)图象采集及显示;(6)图象处理系统。其中关键的是前两部分。 
 
原子力显微镜的工作原理如图2所示。将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定,另一端有一微小的针尖,针尖与样品表面轻轻接触。使针尖在样品的表面上扫描,由于针尖原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力(10-8-10-6N),原子间作用力的检测主要由光杠杆技术来实现。如果探针和样品间有力的作用,悬臂将会弯曲。为检测悬臂的微小弯曲量(位移),采用激光照射悬臂的,四象限探测器就可检测出悬臂的偏转。如果控制这种力在扫描过程中保持恒定,则微悬臂将在垂直于样品表面的方向上起伏运动,利用隧道电流检测法或光学检测方法,测定微悬臂对应于扫描各点的位置变化,从而可以获得样品表面形貌的信息。 
 
根据原子力显微镜所测力的性质的不同,其工作模式及微悬臂运动的检测方法将有所不同。所谓工作模式,主要是指AFM工作时微悬臂运动所处的状态,主要可分为两种。一种为准静态工作模式,此时针尖与样品的相互作用力较强,微悬臂有较大形变,可用隧道电流法,电容及激光束偏转探测法等直接检测此形变。处于该模式,针尖与样品的间距小于0.03nm,基本上是紧密接触的(故又称接触模式)。由于此时二者电子云发生重叠,导致仪器的分辨率极高,可达原子级水平。运用此种模式可测量原子间的相互作用力,所测zui小力可达10-9N。对于针尖与样品间的摩擦力,也可用该模式进行测量,这时zui小检测极限可达10-10N。根据反馈方式的不同,该模式又可分成恒力模式和形变变化模式两种。前者反馈信号控制样品上下运动,使得微悬臂的形变及其与样品间的相互作用力保持恒定;后者样品只进行扫描运动,反馈线路控制使得微悬臂随表面的起伏而上下运动。此时,由于反馈直接控制隧道针尖,导致仪器工作稳定,但其数据的解释要困难一些。 
 
上面描述的这种接触模式适应于对硬表面的观察,并可达到较高的分辨率,但这种接触模式与样品表面相互作用较强,对于生物样品,由于它相对于云母,石墨及金等固体材料具有较大的柔软性,目前对其观察还没有达到足够高的分辨率,在针尖扫描时,有时还会造成样品表面的损伤。而对于吸附在坚硬表面的样品,在探针的作用下有时会被移动而不利于成像。对于生物材料,由于其表面较软如果采用接触模式,在不降低其分辨率的情况下,应尽量降低针尖与样品的作用力,以免造成表面损伤。  
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