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原子力顯微鏡的工作原理

點(diǎn)擊次數(shù):2947 更新時(shí)間:2017-06-22
 1986年,G.Binning等人發(fā)明了原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscope,AFM),AFM不僅具有很高的分辨率(橫向分辨率達(dá)到1nm,縱向分辨率達(dá)到0.01nm),而且對工作環(huán)境、樣品性質(zhì)等方面的要求也非常低,因此,AFM的出現(xiàn)為人們更多的觀察微觀世界提供了一個有效的手段和方法。

1.AFM的工作原理

AFM上有一個安裝在對微弱力極敏感的微懸臂(Cantilever)上的極細(xì)探針(Probe),當(dāng)針尖非常接近樣品表面時(shí),就在針尖—樣品之間產(chǎn)生極微弱的作用力(吸引或排斥力),引起微懸臂偏轉(zhuǎn)。根據(jù)物理學(xué)原理,施加到微懸臂末端力的表達(dá)式為

F=KΔZ

式中,ΔZ表示針尖相對于試樣間的距離,K為微懸臂的彈性系數(shù)。力的變化均可以通過微懸臂被檢測。根據(jù)力的檢測方法,AFM可以分成兩類:一類是檢測探針的位移;另一類是檢測探針的角度變化[1]。由于后者在Z方向上的位移是通過驅(qū)動探針來自動跟蹤樣品表面形狀,因此受到樣品的重量及形狀大小的限制比前者小。

在掃描時(shí)控制這種針尖—樣品之間的作用力恒定,帶針尖的微懸臂將對應(yīng)于原子間作用力的等位面,在垂直于樣品表面方向上起伏運(yùn)動,通過光電測系統(tǒng)(通常利用光學(xué)、電容或隧道電流方法)對微懸臂的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行掃描(圖1),測得微懸臂對應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化,將信號放大與轉(zhuǎn)換從而得到樣品表面原子級的三維立體形貌圖像。

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