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原子力显微镜的基本工作原理
2015-12-18 | 来源：
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
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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