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原子力顯微鏡的基本原理

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原子力顯微鏡的基本原理

    STM只能在導(dǎo)電材料的樣品表面上分辨出單個的原子并得到原子結(jié)構(gòu)的三維圖像。對于非導(dǎo)電材料,STM將無能為力,應(yīng)用受到了限制。為了彌補STM的不足,分辨絕緣表面上的單個原子,1986年,Binnig,QuateGerber發(fā)明了原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy,AFM[1]。AFM是一種類似于STM的顯微技術(shù),它的許多元件與STM是共同的,如用于三維掃描的壓電陶瓷系統(tǒng)以及反饋控制器等。它與STM主要不同點是用一個對微弱力極其敏感的易彎曲的微懸臂針尖(Cantilever)代替了STM的隧道針尖,并以探測懸臂的微小偏轉(zhuǎn)代替了STM中的探測微小隧道電流。正是因為AFM工作時不需要探測隧道電流,所以它可以用于分辨包括絕緣體在內(nèi)的各種材料表面上的單個原子,其應(yīng)用范圍無疑比STM更廣闊。但從分辨率來看,AFM要比STM略微低些。

    AFM的工作原理如圖3-1所示。對微弱力極其敏感的微懸臂一端則有一微小的針尖。AFM在圖像掃描時,針尖與樣品表面輕輕接觸,而針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力(10-8~10-6N(牛頓)),會使得懸臂產(chǎn)生的微小偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)被檢測出并用作反饋來保持力的恒定,就可以獲得微懸臂對應(yīng)于掃描各點的位置變化,從而可以獲得樣品表面形貌的圖像。各種形式的AFM的區(qū)別主要在微懸臂偏轉(zhuǎn)的檢測方式上,通常有隧道電流檢測法,光學(xué)檢測法和電容測量法。

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