原子力显微镜微悬臂形变检测方法

　　原子力显微镜是通过检测微悬臂形变的大小来获得样品表面的图像的，所以微悬臂形变检测至关重要。检测微悬臂形变的方式主要有以下几种：①隧道电流检测法;②电容检测法;③光学检测法;④压敏电阻检测法。由于原子力显微镜针尖与样品之间的作用力为微悬臂的力常数和形变量的乘积，所以无论哪种检测方法，都应不影响微悬臂的力常数，而且对形变量的检测须达到纳米级以上。由于光束偏转法比较简单，而且技术上容易实现，所以目前在原子力显微镜中应用Z为普遍。

隧道电流检测法

　　两个电极之间的距离和隧道电流之间有很强的依赖关系，距离每改变0.1nm，隧道电流就改变近1个数量级，因此利用隧道电流可以灵敏检测微悬臂的形变位移量。将原子力显微镜微悬臂作为一个电极，在微悬臂上方设置一个STM针尖作为另一个电极，微悬臂的微小变形就会引起针样间距的变化，从而引起隧道电流的剧烈变化，通过反馈回路控制样品和针尖做相反的运动，保持隧道电流的恒定，也就是保持隧道间隙的恒定，就可以获得表面形貌的高分辨图像。

　　隧道电流法的灵敏度很高，z方向的分辨率可以达到0.01nm，但是信噪比较低。主要原因有两个：①在大气环境下工作时，针尖的污染会造成隧道电流无法准确测定;②原子力显微镜微悬臂的热振动和热漂移会造成隧道电流的较大变化，热噪声的水平较高。这种检测方法适合于高真空环境下工作的原子力显微镜系统。

电容检测法

　　平行板电容器的电容和极板之间距离成反比。如果将原子力显微镜微悬臂作为一个电容极板，在微悬臂上方设置一块与微悬臂平行的极板，二者就构成一个平行板电容器。原子力显微镜微悬臂的变形会造成极板之间距离的变化，从而导致电容值发生变化，利用反馈回路使微悬臂上的极板运动，保持扫描时电容值恒定，就可以获得样品表面的形貌信息。这种检测方法的灵敏度较低，z向的分辨率只能达到0.03nm。

光学检测法

　　光学检测法包括光学干涉法和光束偏转法两种。

　　光学干涉法：

　　1987年Martin提出了差动式光学干涉法检测微悬臂形变量的原理：参考光束和探测光束为相互正交的线偏振光，一束为偏振光，两束光分别探测微悬臂的固定端和针尖部位，经过微悬臂的反射以后，两束光发生干涉，干涉光的相位与探测光束的光程相关。

　　在x、y扫描过程中，针尖和样品的相互作用力使得原子力显微镜微悬臂偏转，探测光束的光程发生变化，造成探测光束和参考光束的干涉光的相位发生移动。相位移动的大小与微悬臂的形变量直接相关，从而可以确定针尖与样品之间的相互作用力。

　　扫描过程中，通过反馈回路控制干涉光的相位移恒定就可以得到表面形貌图像。由于光学干涉法的光束直径较大，所以对原子力显微镜微悬臂上的微小污染和表面粗糙度都不敏感，所以信噪比比较高，在所有的检测手段中，这种方式的检测精度Zgao，z方向的分辨率高达0.001nm。

　　光束偏转法：

　　1988年Meyer等发展了光束偏转法，其原理是将激光器发出的激光聚焦在微悬臂的背面，从具有反射面的微悬臂的背面反射进入位置灵敏的光电二极管检测器，微悬臂的形变可以通过反射光束的偏移量来表征。通过反馈回路控制反射光束偏移量恒定，便可以对表面进行成像。光束偏转法的精度很高，当激光的波长为670nm时，极限分辨率可以达到0.003nm。

　　光束偏转法的原理和技术简单，但精度却不如光学干涉法高。为此，Quate等将原子力显微镜微悬臂进行了改进，制备了具有衍射光栅结构的叉指型微悬臂。其中与针尖相连的悬臂带有一套指状结构，在扫描的过程中可以随样品表面的起伏而偏转;另外一套指状结构固定在微悬臂的基底上，扫描时固定不动，作为位置的参考基准。这样采用光束偏转法检测原子力显微镜微悬臂的形变量时，从光栅结构的微悬臂上反射的光束会产生多级衍射条纹，可以达到与光学干涉法接近的精度，但比干涉法的检测复杂程度却低很多，而且多级衍射条纹的存在可以降低振动噪声，提高信噪比。

压敏电阻检测法

　　上述三种原子力显微镜微悬臂形变量的检测方法都是利用外加传感设备实现，检测系统和微悬臂之间必须对准，所以扫描成像时，微悬臂不能运动，压电陶瓷扫描管驱动样品运动以实现针尖和样品的相对扫描，这就限制了原子力显微镜的扫描速度和扫描范围。

　　压敏电阻材料的特点是材料的电阻随外加应力的变化而变化，Si是一种很好的压敏电阻材料，所以在微悬臂的自由端沉积一定厚度的Si薄膜，并将此压敏电阻作为惠斯登电桥的一个电阻臂，就可以通过检测电桥的电位差(V1-V2)来计算压敏电阻值的变化。电阻值变化的多少反映了原子力显微镜微悬臂对Si施加应力的大小，也就是微悬臂形变量的大小。