AFM工作原理與儀器介紹

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，AFM），是一種可用來研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。它通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件（探針）之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。

AFM可以對樣品表面形態(tài)、納米結(jié)構(gòu)、鏈構(gòu)象等方面進(jìn)行研究，獲得納米顆粒尺寸，孔徑，材料表面粗糙度，材料表面缺陷等信息，同時還能做表面結(jié)構(gòu)形貌跟蹤（隨時間，溫度等條件變化）。也可對樣品的形貌進(jìn)行豐富的三維模擬顯示，使圖像更適合于人的直觀視覺。結(jié)合儀器的各種標(biāo)準(zhǔn)操作模式以及獨(dú)有的附件，可在進(jìn)行高分辨成像的同時，獲得包括樣品力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱力學(xué)等各項(xiàng)性能指標(biāo)。

AFM 是在STM 基礎(chǔ)上發(fā)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(qū)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(chǎn)生的微小形變代替探測微小的隧道電流。

工作原理

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(yīng)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(yùn)動。利用光學(xué)檢測法或隧道電流檢測法，可測得對應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，將信號放大與轉(zhuǎn)換從而得到樣品表面原子級的三維立體形貌圖像。

目前現(xiàn)有三種基本操作模式，可區(qū)分為接觸式（contact）、非接觸式（non-contact）及輕敲式（tapping）三大類。以下簡單介紹三種基本形式的基本原理：

（1）接觸式(Contact mode)：利用探針的針尖與待測物表面之原子力交互作用(一定要接觸)，使非常軟的探針臂產(chǎn)生偏折，此時用特殊微小的雷射光照射探針臂背面，被探針臂反射的雷射光以二相的photo diode(雷射光相位偵檢器)來記錄雷射光被探針臂偏移的變化，探針與樣品間產(chǎn)生原子間的排斥力約為10-6 至10-9 牛頓。但是，由于探針與表面有接觸，因此過大的作用力仍會損壞樣品，尤其是對軟性材質(zhì)如高分子聚合物、細(xì)胞生物等。不過在較硬材料上通常會得到較佳的分辨率。

（2）非接觸式(Non-contact mode)：為了解決接觸式AFM 可能損壞樣品的缺點(diǎn)，便有非接觸式AFM 被發(fā)展出來，這是利用原子間的長距離吸引力─范德華力來運(yùn)作。非接觸式探針必需不與待測物表面接觸，利用微弱的范德華力對探針的振幅改變來回饋。探針與樣品的距離不能太遠(yuǎn)，探針振幅不能太大(約2 至5nm)，掃描速度不能太快等限制。樣品置放于大氣環(huán)境下，濕度超過30%時，會有一層5 至10nm 厚的水分子膜覆蓋于樣品表面上，造成不易回饋或回饋錯誤。

（3）輕敲式AFM(Tapping mode)：將非接觸式AFM 加以改良，拉近探針與試片的距離，增加探針振幅功能(10～300KHz)，其作用力約為10-12 牛頓，Tapping mode 的探針有共振振動，探針振幅可調(diào)整而與材料表面有間歇性輕微跳動接觸，探針在振蕩至波谷時接觸樣品，由于樣品的表面高低起伏，使得振幅改變，再利用回饋控制方式，便能取得高度影像。