原子力顯微鏡的原理

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM），一種可用來研究包括導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。它的橫向分辨率可達(dá)0.15m，而縱向分辨率可達(dá)0.05m，AFM最大的特點(diǎn)是可以測量表面原子之間的力，AFM可測量的最小力的量級為10-14 -10-16 N。AFM還可以測量表面的彈性，塑性、硬度、黏著力等性質(zhì) ，AFM還可以在真空，大氣或溶液下工作，也具有儀器結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，在材料研究中獲得了廣泛的研究。

 

它與其他顯微鏡相比有明顯不同，它用一個微小的探針來”摸索”微觀世界，AFM超越了光和電子波長對顯微鏡分辨率的限制，在立體三維上觀察物質(zhì)的形貌，并能獲得探與樣品相互作用的信息，典型AFM的側(cè)向分辨率（x，y）可達(dá)到2nm，垂直分辯牢（方間）小于0。1mmAFM具有操作客易、樣品準(zhǔn)備簡單、操作環(huán)境不受限制、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。

 

二、原子力顯微鏡的基本原理

AFM中為檢測出表面力而精細(xì)加工的感知杠桿使用了一端支撐的微小彈簧板。在感知杠桿的尖端有半徑幾十納米、非常尖的小探針，感知杠桿從試件表面受到探針的作用力變形。感知杠桿的彈性系數(shù)K一般為已知，通過用隧道電流或激光束偏移，來檢測感知杠桿在Z方向上的微小位移△Z，可知作用在探針一表面之的局力（F=K△Z）。一邊測定該力，一邊對試樣進(jìn)行機(jī)械的二維掃描，就能得到試樣表面力的二維像。為保持力的信號穩(wěn)定，一邊控制試樣Z方向的位置，一邊掃描試樣，記錄各點(diǎn)的移動量，就可以得到三維的精細(xì)形貌像。

 

當(dāng)探針尖和試件表面的距離縮小到納米數(shù)量級時，探針尖端原子和試件表面原子間的相互作用力就顯示出來，由于原子間距離縮小產(chǎn)生相互作用，造成原子間的高度勢壘降低，使系統(tǒng)的總能量降低，于是二者之間產(chǎn)生吸引力（范德華力），如果兩原子間距離繼續(xù)減小接近到原子直徑量級時，由于兩原子間的電子云的不相容性，兩原子間的相互作用為排斥力（庫侖力），原子力顯微鏡就是通過檢測探針尖和試件表面原子間的相互作用力而進(jìn)行測量的。

 

針尖和樣品之間的作用力與距離有強(qiáng)烈的依賴關(guān)系，所以在掃描過程中利用反饋回路保持針尖和樣品之間的作用力恒定，即保持微懸臂的形變量不變，針尖就會隨表面的起伏上下移動，記錄針尖上下運(yùn)動的軌跡即可得到表面形貌的信息。

 

三、原子力顯微鏡的工作環(huán)境

 

原子力顯微鏡受工作環(huán)境限制較少，它可以在超高真空、氣相、液相和電化學(xué)的環(huán)境下操作。

 

1.真空環(huán)境：最早的掃描隧道顯微鏡（STA）研究是在超高真空下進(jìn)行操作的。后來，隨著AFM的出現(xiàn)，人們開始使用真空AFM研究固體表面。真空AFM避免了大氣中雜質(zhì)和水膜的干擾，但其操作較復(fù)雜。

 

2.氣相環(huán)境：在氣相環(huán)境中，AFM操作比較容易，它是廣泛采用的一種工作環(huán)境。因AFM操作不受樣品導(dǎo)電性的限制，它可在空氣中研究任何固體表面，氣相環(huán)境中AFM多受樣品表面水膜干擾。

 

3.液相環(huán)境：在液相環(huán)境中。AFM是把探針和樣品放在液池中工作，它可以在液相中研究樣品的形貌。液相中AFM消除了針尖和樣品之間的毛細(xì)現(xiàn)象，因此減少了針尖對樣品的總作用力，液相AFM的應(yīng)用十分廣闊，它包括生物體系、腐蝕或任一液固界面的研究。

 

4.電化學(xué)環(huán)境：正如超高真空系統(tǒng)一樣，電化學(xué)系統(tǒng)為AFM提供了另一種控制環(huán)境，電化學(xué)AFM是在原有AFM基礎(chǔ)上添加了電解雙恒電位儀和相應(yīng)的應(yīng)用軟件，電化學(xué)AFM可以現(xiàn)場研究電極的性質(zhì)，包括化學(xué)和電化學(xué)過程誘導(dǎo)的吸附、腐蝕以及有機(jī)和物分子在電極表面的沉積和形態(tài)變化等。