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原子力顯微鏡的工作原理

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原子力顯微鏡(AFM)是一種具有原子級別高分辨率的新型表面分析儀器,它不但能像掃描隧道顯微鏡(STM)那樣觀察導體和半導體材料的表面現象,而且能用來觀察諸如玻璃、陶瓷等非導體表面的微觀結構,原子力顯微鏡還可以在氣體、水和油中無損傷地直接觀察物體,大大地拓展了顯微技術在生命科學、物理、化學、材料科學和表面科學等領域中的應用,具有廣闊的應用前景。
 
與電子顯微鏡相比,原子力顯微鏡有很多方面的優勢:如樣品準備簡單,樣品導電與否都能適合該儀器;操作環境不受限制,即可以在真空,也可以在大氣中進行;并且可以對所測區域的面粗糙度值進行統計等等。
 
原子力顯微鏡的工作原理:
 
原子力顯微鏡是利用一個對力敏感的探針針尖與樣品之間的相互作用力來實現表面成像的。將一個對微弱力極敏感的彈性微懸臂一端固定,另一端有一微小的針尖,針尖與樣品的表面輕輕接觸,由于針尖原子與樣品表面原子間存在極微弱的作用力(10^-8~10^-6N),微懸臂會發生微小的彈性形變。
 
原子力顯微鏡針尖和樣品之間的力F與微懸臂的形變Δz之間遵循胡克定律F=kΔz,其中,k為微懸臂的力常數。測定微懸臂形變量的大小,就可以獲得針尖與樣品之間作用力的大小。針尖與樣品之間的作用力與距離有著強烈的依賴關系,所以在掃描過程中利用反饋回路保持針尖和樣品之間的作用力恒定,即保持微懸臂的形變量不變,針尖就會隨表面的起伏上下移動。記錄針尖上下運動的軌跡即可得到樣品表面形貌的信息。這種檢測方式被稱為“恒力”模式,是原子力顯微鏡使用Z廣泛的掃描方式。
 
原子力顯微鏡的圖像也可以使用“恒高”模式來獲得,也就是在x、y掃描過程中,不使用反饋回路,保持針尖與參考水平面之間的距離恒定,檢測器直接測量微懸臂z方向的形變量來成像。這種方式由于不使用反饋回路,可以采用更高的掃描速度,通常在觀察原子、分子像時用得比較多,而對于表面起伏較大的樣品不適合。




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