原子力显微镜简介

　　原子力显微镜，简称AFM，是一种可以用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器，凭借其纳米级分辨率的特点广泛应用于生命科学和医学，成为研究生物医学样品和生物大分子的重要工具之一。

原子力显微镜原理

　　原子力显微镜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，由于针尖原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。原子力显微镜利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得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。

原子力显微镜结构

　　原子力显微镜是一种利用原子、分子间的相互作用力观察物体表面微观形貌的新型实验技术。它有一根纳米级的探针，被固定在可灵敏操控的微米级弹性悬臂上，当探针靠近样品时，其顶端的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲，偏离原来的位置。根据扫描样品时探针的偏离量或振动频率重建三维图像，就能间接获得样品表面的形貌或原子成分。

　　力检测部分：使用微小悬臂可检测原子之间的范德华力变化量。原子力显微镜微悬臂通常由一个100～500um长和0.5～5 um厚的硅片或氮化硅片制成，微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品与针尖间的相互作用力。微悬臂有一定的规格，如长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状。实验中，依照样品的特性、实验操作模式选择不同规格的探针。

　　位置检测部分：当原子力显微镜针尖与样品之间有了相互作用之后，会使得微悬臂摆动，照射在微悬臂的末端的激光束，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，激光光斑位置检测器将偏移量记录下来并转换成电信号。

　　反馈系统：在反馈系统中会将电信号当作反馈信号，驱使由压电陶瓷管制作的扫描器做适当移动，以保持样品与针尖之间的作用力恒定。原子力显微镜系统使用压电陶瓷管制作的扫描器精确控制微小的扫描移动。压电陶瓷是一种性能奇特的材料，当在压电陶瓷对称的两个端面加上电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。而伸长或缩短的尺寸与所加电压的大小呈线性关系。也就是说，可以通过改变电压控制压电陶瓷的微小伸缩。通常把三个分别代表X、Y、Z方向的压电陶瓷块组成三角架的形状，通过控制X、Y方向伸缩达到驱动探针在样品表面扫描的目的;通过控制Z方向压电陶瓷的伸缩达到控制探针与样品之间距离的目的。

　　原子力显微镜系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的距离始终保持在纳米量级，距离太大不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品;反馈回路的作用就是在工作过程中，由探针得到探针与样品相互作用的强度，来改变加在样品扫描器垂直方向的电压，从而使样品伸缩，调节探针和被测样品间的距离，反过来控制探针一样品相互作用的强度，实现反馈控制。因此，反馈控制是本系统的核心工作机制。原子力显微镜系统采用数字反馈控制回路，用户在控制软件的参数工具栏通过参考电流、积分增益和比例增益等几个参数的设置对该反馈回路的特性进行控制。

原子力显微镜特点

　　原子力显微镜优点：

　　1、制样相对简单，多数情况下对样品不破坏;

　　2、具有高分辨率，三维立体的成像能力;

　　3、常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。

　　原子力显微镜缺点：

　　1、扫描范围较小与SEM相比，原子力显微镜成像范围小，容易将局部的、特殊的结果当作整体的结果而分析，以及使实验结果缺乏重现性。

　　2、受样品因素限制较大由于分辨率很高，使得在样品制备过程中产生的或者是从背景噪音中产生的极小赝像都能够被检测、观察到，产生赝像。

　　3、原子力显微镜针尖易磨钝或受污染磨损无法修复，污染清洗困难。