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原子力顯微鏡的基本工作原理
閱讀：5150 發布時間：2015-12-18
原子力顯微鏡的基本工作原理
原子力顯微鏡系統主要由以下幾部分組成：(1)帶針尖的力敏感元件;(2)力敏感元件運動檢測裝置;(3)監控力敏感元件運動的反饋回路;(4)掃描系統(一般使用壓電陶瓷)，其作用是使樣品進行掃描運動;(5)圖象采集及顯示;(6)圖象處理系統。其中關鍵的是前兩部分。
原子力顯微鏡的工作原理如圖2所示。將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸。使針尖在樣品的表面上掃描，由于針尖原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力(10-8-10-6N)，原子間作用力的檢測主要由光杠桿技術來實現。如果探針和樣品間有力的作用，懸臂將會彎曲。為檢測懸臂的微小彎曲量(位移)，采用激光照射懸臂的，四象限探測器就可檢測出懸臂的偏轉。如果控制這種力在掃描過程中保持恒定，則微懸臂將在垂直于樣品表面的方向上起伏運動，利用隧道電流檢測法或光學檢測方法，測定微懸臂對應于掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。
根據原子力顯微鏡所測力的性質的不同，其工作模式及微懸臂運動的檢測方法將有所不同。所謂工作模式，主要是指AFM工作時微懸臂運動所處的狀態，主要可分為兩種。一種為準靜態工作模式，此時針尖與樣品的相互作用力較強，微懸臂有較大形變，可用隧道電流法，電容及激光束偏轉探測法等直接檢測此形變。處于該模式，針尖與樣品的間距小于0.03nm，基本上是緊密接觸的(故又稱接觸模式)。由于此時二者電子云發生重疊，導致儀器的分辨率*，可達原子級水平。運用此種模式可測量原子間的相互作用力，所測zui小力可達10-9N。對于針尖與樣品間的摩擦力，也可用該模式進行測量，這時zui小檢測極限可達10-10N。根據反饋方式的不同，該模式又可分成恒力模式和形變變化模式兩種。前者反饋信號控制樣品上下運動，使得微懸臂的形變及其與樣品間的相互作用力保持恒定;后者樣品只進行掃描運動，反饋線路控制使得微懸臂隨表面的起伏而上下運動。此時，由于反饋直接控制隧道針尖，導致儀器工作穩定，但其數據的解釋要困難一些。
上面描述的這種接觸模式適應于對硬表面的觀察，并可達到較高的分辨率，但這種接觸模式與樣品表面相互作用較強，對于生物樣品，由于它相對于云母，石墨及金等固體材料具有較大的柔軟性，目前對其觀察還沒有達到足夠高的分辨率，在針尖掃描時，有時還會造成樣品表面的損傷。而對于吸附在堅硬表面的樣品，在探針的作用下有時會被移動而不利于成像。對于生物材料，由于其表面較軟如果采用接觸模式，在不降低其分辨率的情況下，應盡量降低針尖與樣品的作用力，以免造成表面損傷。