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原子力显微镜的工作原理

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原子力显微镜(AFM)是一种具有原子级别高分辨率的新型表面分析仪器,它不但能像扫描隧道显微镜(STM)那样观察导体和半导体材料的表面现象,而且能用来观察诸如玻璃、陶瓷等非导体表面的微观结构,原子力显微镜还可以在气体、水和油中无损伤地直接观察物体,大大地拓展了显微技术在生命科学、物理、化学、材料科学和表面科学等领域中的应用,具有广阔的应用前景。
 
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。
 
原子力显微镜的工作原理:
 
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。

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