原子力显微镜工作原理

　　与电子显微镜相比，原子力显微镜有很多方面的优势：如样品准备简单，样品导电与否都能适合该仪器;操作环境不受限制，即可以在真空，也可以在大气中进行;并且可以对所测区域的面粗糙度值进行统计等等。自上世纪80年代diyi台原子力显微镜问世至今，分辨率和稳定性得到极大提高，得到越来越广泛的应用。但同时也有其自身的缺点，由于各方面的影响因素，图像有时会产生假相等。

原子力显微镜的原理

　　原子力显微镜是利用一个对力敏感的探针针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的。将一个对微弱力极敏感的弹性微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品的表面轻轻接触，由于针尖原子与样品表面原子间存在极微弱的作用力(10^-8～10^-6N)，微悬臂会发生微小的弹性形变。

　　原子力显微镜针尖和样品之间的力F与微悬臂的形变Δz之间遵循胡克定律F=kΔz，其中，k为微悬臂的力常数。测定微悬臂形变量的大小，就可以获得针尖与样品之间作用力的大小。针尖与样品之间的作用力与距离有着强烈的依赖关系，所以在扫描过程中利用反馈回路保持针尖和样品之间的作用力恒定，即保持微悬臂的形变量不变，针尖就会随表面的起伏上下移动。记录针尖上下运动的轨迹即可得到样品表面形貌的信息。这种检测方式被称为“恒力”模式，是原子力显微镜使用Z广泛的扫描方式。

　　原子力显微镜的图像也可以使用“恒高”模式来获得，也就是在x、y扫描过程中，不使用反馈回路，保持针尖与参考水平面之间的距离恒定，检测器直接测量微悬臂z方向的形变量来成像。这种方式由于不使用反馈回路，可以采用更高的扫描速度，通常在观察原子、分子像时用得比较多，而对于表面起伏较大的样品不适合。

原子力显微镜的工作模式

　　对于原子力显微镜，通用的工作模式有接触和敲击式。在敲击模式中，一种恒定的驱使力使探针悬臂以一定的频率振动。当针尖刚接触样品时，悬臂振幅会减少到某一数值。在扫描过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒定，亦即作用在样品上的力恒定，通过记录压电陶瓷管的移动得到样品表面形貌图。对于接触模式，由于探针和样品间的相互作用力会引起微悬臂发生形变，也就是说微悬臂的形变作为样品和针尖相互作用力的直接度量。同上述轻敲式，反馈系统保持针尖-样品作用力恒定从而得到表面形貌图。

原子力显微镜的关键部分

　　原子力显微镜的关键部分是力敏感元件和力敏感元件检测装置。为了能准确反映出样品的表面形貌，力传感器要满足以下几个要求：

　　①在针尖与样品的接触过程中，为了不使针尖损坏样品，要求微悬臂有相对较低的力弹性常数，即受到很小的力就能产生可检测的位移。

　　②为了降低一起对于噪声的敏感性，并使其有较高的扫描速度，要求微悬臂有尽可能高的固有共振频率(一般为200kHz~300kHz)。

　　③因为微悬臂上的针尖与样品的摩擦力会引起微悬臂的横向弯曲，从而导致图像失真，这就要求微悬臂要有高的横向刚性，实际应用中将微悬臂制成V字形就可提高其横向刚性。

　　④如果采用隧道电流方式来检测微悬臂的位移，微悬臂的背面必须要有金属电极，若采用光学方法检测，则要求微悬臂背面有尽可能光滑的反射面。

　　⑤如果采用光学反射方法检测微悬臂位移时，如果微悬臂一端的线性平移量是一定的，那么臂长越短，微悬臂的弯曲度就越大，检测的灵敏度就越好。

　　⑥带有一个尽可能尖锐的针尖。原子力显微镜的发展，也可以说是微悬臂和针尖不断改进的过程。一般原子力显微镜采用微机械加工技术制作的硅、氧化硅以及氮化硅微悬臂。