原子力显微镜的原理及应用

　　原子力显微镜是用微小探针“摸索”样品表面来获得信息，所以测得的图像是样品Z表面的形貌，而没有深度信息。扫描过程中，探针在选定区域沿着样品表面逐行扫描。

原子力显微镜的原理

　　原子力显微镜是用一端固定而另一端装有纳米级针尖的弹性微悬臂来检测样品表面形貌的。当样品在针尖下面扫描时，同距离密切相关的针尖-样品相互作用就会引起微悬臂的形变。也就是说，微悬臂的形变是对样品-针尖相互作用的直接反映。通过检测微悬臂产生的弹性形变量ΔZ就可以根据微悬臂的弹性系数k和函数式F=kΔZ直接求出样品-针尖间相互作用F。

　　原子力显微镜利用照射在悬臂的激光束的反射接收来检测微悬臂的形变。由于光杠杆作用原理，即使小于0.01nm的微悬臂形变也可在光电检测器上产生10nm左右的激光点位移，由此产生的电压变化对应着微悬臂的形变量，通过一定的函数变换便可得到悬臂形变量的测量值样品在XY平面内扫描时，若保持样品在Z轴方向静止，且令探针的竖直初始位置为零，则可根据针尖-样品相互作用与间距的关系得到样品表面的高度变化信息，即样品表面任意点相对于初始位点的高度。对样品表面进行定域扫描便可得到此区域的表面形貌。

原子力显微镜技术参数的选择

　　由原理可以看出原子力显微镜采集的是样品表面的三维信息，因而能生成三维的图像。步宽越小，单位面积上采集的数据越多。而步宽是由扫描速度决定的，因此当扫描范围较大时，应该选择较小的扫描速度，这样采集的数据才足够多。由于压电陶瓷扫描器固有的误差，在扫描过程中会产生一定的漂移，特别是当扫描范围小于50nm×50nm时，可能造成所选区域的某行重复扫描，从而造成假象，所以此时应该选用较大的扫描速度而减小误差。

原子力显微镜的操作步骤

　　①依次开启：电脑-控制机箱-高压电源-激光器。

　　②用粗调旋钮将样品逼近微探针至两者间距<1mm。

　　③再用细调旋钮使样品逼近微探针：顺时针旋细调旋钮，直至光斑突然向PSD移动。

　　④缓慢地逆时针调节细调旋钮并观察机箱上反馈读数：Z反馈信号约稳定在-150至-250之间(不单调增减即可)，就可以开始扫描样品。

　　⑤读数基本稳定后，打开扫描软件，开始扫描。

　　⑥扫描完毕后，逆时针转动细调旋钮退样品，细调要退到底。再逆时针转动粗调旋钮退样品，直至下方平台伸出1厘米左右。

　　⑦测试完毕，依次关闭：激光器-高压电源-控制机箱。

　　⑧处理图像，得到数据。

原子力显微镜的适用范围

　　由于原子力显微镜扫描过程是逐行扫描的，每行的扫描时间非常短。如果样品的高低起伏比较大，致使有部分样品表面探测不到而不能真实反应形貌。所以通常要求样品表面平整度较好，又由于所测的是微观区域，至少要求局部较为平整。例如一般来说样品脆断面起伏都较大，不太容易得到较好的图像，有时甚至会损坏探针。

　　在原子力显微镜试验中，由于悬臂与样品表面间的距离非常小，探针的损坏经常发生。另外，针尖的曲率半径毕竟很小，非常容易被磨损，特别是在测试粗糙度较大的样品时，磨损的更为严重。针尖一旦磨损，对测量范围较大的图像影响一般可以忽略，但如果所测样品是纳米尺度范围，图像主要为针尖特征，其纳米尺度很可能分辨不出而造成假相。所以原子力显微镜技术的发展强烈依赖于带有特殊针尖的微悬臂制备技术的发展，必须能够简便、快速、批量生产。

　　原子力显微镜已经在很多科学领域中得到成功应用，并且容易获得形貌特征信息和纳米尺度上的粗糙度等，扫描探针显微镜已成为常规表征方法的非常好的研究工具。