原子力显微镜针尖的作用

　　原子力显微镜对比于现有的其它显微工具，以其高分辨、制样简单、操作易行等特点而备受关注，并在生命科学、材料科学等领域发挥了重大作用，极大地推动了纳米科技的发展，促使人类进入了纳米时代。

原子力显微镜的针尖技术

　　目前，一般的探针式表面形貌测量仪垂直分辨率已达到0.1nm，因此足以检测出物质表面的微观形貌。普通的原子力显微镜探针材料是硅、氧化硅或氮化硅(Si3N4)，其Z小曲率半径可达10nm。由于可能存在“扩宽效应”，针尖技术的发展在原子力显微镜中非常重要。

　　探针针尖的几何物理特性制约着针尖的敏感性及样品图像的空间分辨率。因此针尖技术的发展有赖于对针尖进行能动的、功能化的分子水平的设计。只有设计出更尖锐、更功能化的探针，改善原子力显微镜的力调制成像术和相位成像技术的成像环境，同时改进被测样品的制备方法，才能真正地提高样品表面形貌图像的质量。

原子力显微镜针尖的作用

　　原子力显微镜虽然名字里有“显微镜”这三个字，却并不像光学显微镜和电子显微镜那样利用电磁波或者微观粒子来“看”一个物体，而是通过一根小小的探针来间接地感知物体表面的结构。这根探针小到什么程度呢?探针主要部分是一个长约100微米，宽约20微米的条状物，我们称其为悬臂。在悬臂的末端是一个更小的尖状物，Z末端的直径一般只有十几个纳米，我们称它为针尖。针尖和悬臂合起来构成了一个完整的原子力显微镜的探针，一般使用硅或者氮化硅作为材料。可以说探针是原子力显微镜Z为关键的部件。

　　针尖和物体表面之间的作用力是十分微弱的，该如何有效测量它的大小呢?

　　由于针尖和悬臂是连在一起的，针尖受到的力会导致悬臂发生弯曲，受力越大，悬臂弯曲的越厉害。这样，通过测量悬臂弯曲的程度，我们就可以知道针尖与物体表面之间的作用力的大小。但是悬臂由于受力而发生的弯曲依然很小，直接测量这么小的程度的弯曲并不现实。

　　原子力显微镜的fa明者巧妙地解决了这个难题。他们将一束激光投射到悬臂的上表面，激光被悬臂反射后又被检测器接收。当悬臂没有受力时，可以调节激光的位置使得反射之后的激光光束恰好到达检测器的ZX并保持入射激光光束的位置不变。一旦悬臂由于受力而发生弯曲，经悬臂反射到达检测器的激光必然会偏离检测器的ZX。通过激光束的反射，悬臂的弯曲程度可以被放大1000倍，这样我们就能够准确地测量出悬臂的弯曲程度。

　　我们可以再给针尖-悬臂-激光光束的wan美组合配上一部精确控制的马达，使得探针能够以非常小的尺度在物体表面上移动，再加上必要的计算机软件辅助，我们就能够准确地探测到物体表面的微观结构。

原子力显微镜中针尖与样品之间的作用力

　　原子力显微镜检测的是微悬臂的偏移量，而此偏移量取决于样品与探针之间的相互作用力。其相互作用力主要是针尖Z后一个原子和样品表面附近Z后一个原子之间的作用力。

　　当探针与样品之间的距离d较大(大于5nm)时，它们之间的相互作用力表现为范德华力。可假设针尖是球状的，样品表面是平面的，则范德华力随1Pd2变化。如果探针与样品表面相接触或它们之间的间距d小于0.3nm，则探针与样品之间的力表现为排斥力。这种排斥力与d13成反比变化，比范德华力随d的变化大得多。探针与样品之间的相互作用力约为10^-6~10^-9N，在如此小的力作用下，探针可以探测原子，而不损坏样品表面的结构细节。

　　简而言之，原子力显微镜的原理是：将一个对微弱力及其敏感的长为100-200微米的Si或Si3N4材料的微悬臂一端固定，另一端有一个针尖，针尖与样品表面轻轻接触，针尖原子与样品表面原子间的及其微弱的作用力，使微悬臂发生弯曲，通过检测微悬臂背面反射出的红色激光光点在一个光学检测器上的位置的变化可以转换成力的变化(被反射激光点位置变化或是微悬臂梁弯曲的变化与力的变化成正比)，通过控制针尖在扫描过程中作用力的恒定同时测量针尖纵向的位移量，从而Z终还原出样品表面的形貌像。