1、原子力 显 微 镜 原理、 仪 器及 应 用汇报 人： XXX起源AFM全称 Atomic Force Microscope即 原子力 显 微 镜 ，它是 继扫 描隧道 显 微 镜 （ Scanning Tunneling Microscope）之后 发 明的一种具有原子 级 高分辨的新型 仪 器，可以在大气和液体 环 境下 对 各种材料和 样 品 进 行 纳 米区域的物理性质 包括形貌 进 行探 测 ，或者直接进 行 纳 米操 纵 。LOOK AT THIS2结 构 简图AFM利用一个 对 微弱力极敏感的、在其一端 带 有一微小 针 尖的微 悬 臂，来代替 STM隧道针 尖，通 过 探 测针
2、 尖与 样 品之 间 的相互作用力来 实现 表面成像的（右上 图 ） 。3原子 力 显 微 镜 (Atomic Force Microscopy, AFM)是由 IBM公司的 Binnig与史丹佛大学的 Quate于一九八五年所 发 明的，其目的是 为 了使非 导 体也可以采用 扫 描探 针显 微 镜（ SPM） 进 行 观测 。原子 力 显 微 镜 的基本原理是：将一个 对 微弱力极敏感的微 悬 臂一端固定，另一端有一微小的 针 尖， 针 尖与 样 品表面 轻轻 接触，由于 针 尖尖端原子与 样 品表面原子 间 存在极微弱的排斥力，通 过在 扫 描 时 控制 这 种力的恒定， 带 有 针 尖
3、的微 悬 臂将 对应 于 针 尖与 样 品表面原子 间 作用力的等位面而在垂直于 样 品的表面方向起伏运 动 。利用光学 检测 法或隧道 电 流 检测 法，可 测 得微 悬 臂 对应 于 扫 描各点的位置 变 化，从而可以 获 得 样 品表面形貌的信息。基本原理4原理原子 力 显 微 镜 （ AFM）与 扫 描隧道 显 微 镜（ STM）最大的差 别 在于并非利用 电 子隧道效应 ，而是利用原子之 间 的范德 华 力（ Van Der Waals Force）作用来呈 现样 品的表面特性。假设 两个原子中，一个是在 悬 臂（ cantilever）的探 针 尖端，另一个是在 样 本的表面，它
4、们 之 间的作用力会随距离的改 变 而 变 化，其作用力与距离的关系如 “图 1”所示，当原子与原子很接近时 ，彼此 电 子云斥力的作用大于原子核与 电 子云之 间 的吸引力作用，所以整个合力表 现为 斥力的作用，反之若两原子分开有一定距离 时 ，其 电 子云斥力的作用小于彼此原子核与 电 子云之 间 的吸引力作用，故整个合力表 现为 引力的作用。图 1、原子与原子之 间 的交互作用力因 为彼此之 间 的 距离的 不同而有所不同，其之间 的能量表示也会不同。5能量的角度若 以能量的角度来看， 这 种原子与原子之 间 的距离与彼此之 间能量的大小也可从 Lennard Jones的公式中到另一种
5、印 证 。从 公式中知道，当 r降低到某一程度 时 其能量 为 +E，也代表了在空间 中两个原子是相当接近且能量 为 正 值 ，若假 设 r增加到某一程度 时 ，其能量就会 为 -E；同 时 也 说 明了空 间 中两个 原子之 间 距离相当 远 的且能量 为负值 。不管从空 间 上去看两个原子之 间 的距离与其所 导 致的吸引力和斥力或是从当中能量的关系来看，原子力 显 微 镜 就是利用原子之间 那奇妙的关系来把原子 样 子 给 呈 现 出来， 让 微 观 的世界不再神秘。 6为 原子的直径为 原子之 间 的 距离力 检测 部分位置 检测 部分反 馈 系 统原子力 显 微 镜 的硬件架构在原子
6、力 显 微 镜 的 系 统中，可分成三个部分：7图 2、原子力 显 微 镜 (AFM)系 统 结 构各部分介 绍2.1 力 检测 部分：在 原子力 显 微 镜 （ AFM）的系 统 中，所要 检测 的力是原子与原子之 间 的范德 华 力。所以在本系 统 中是使用微小 悬 臂（ cantilever）来 检测 原子之 间 力的变 化量。 这 微小 悬 臂有一定的 规 格，例如： 长 度、 宽 度、 弹 性系数以及 针 尖的形状，而 这 些 规 格的 选择 是依照 样 品的特性，以及操作模式的不同，而 选择 不同 类 型的探 针 。2.2 位置 检测 部分：在 原子力 显 微 镜 （ AFM）的系
7、 统 中，当 针 尖与 样 品之 间 有了交互作用之后，会使得 悬 臂 cantilever摆动 ，所以当激光照射在 cantilever的末端 时 ，其反射光的位置也会因 为 cantilever摆动 而有所改 变 ， 这 就造成偏移量的 产 生。在整个系 统 中是依靠激光光斑位置 检测 器将偏移量 记录 下并 转换 成 电 的信号，以供 SPM控制器作信号 处 理 。8各部分 介 绍2.3 反 馈 系 统 ：在 原子力 显 微 镜 （ AFM）的系 统 中，将信号 经 由激光 检测 器取入之后，在反 馈 系 统 中会将此信号当作反 馈 信号，作 为 内部的 调 整信号，并 驱 使通常由 压
8、电 陶瓷管制作的 扫 描器做适当的移 动 ，以保持 样 品与 针 尖保持合适的作用力。原子 力 显 微 镜 （ AFM）便是 结 合以上三个部分来将 样 品的表面特性呈 现出来的：在原子力 显 微 镜 （ AFM）的系 统 中，使用微小 悬 臂（ cantilever）来感 测针 尖与 样 品之 间 的交互作用， 这 作用力会使 cantilever摆动 ，再利用激光将光照射在 cantilever的末端，当 摆动 形成 时 ，会使反射光的位置改 变 而造成偏移量，此 时 激光 检测 器会 记录 此偏移量，也会把此 时 的信号 给 反 馈 系统 ，以利于系 统 做适当的 调 整，最后再将 样 品的表面特性以影像的方式 给 呈现 出来。9原子力 显 微 镜10
