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原子力显微镜可以测什么？

浏览量：880 作者：发布于：2023-09-04 文字：【大】【中】【小】

首先，我们看一下原子力显微镜是什么？
原子力显微镜是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面形貌结构信息及表面粗糙度信息。
简言之，原子力显微镜也是一种以物理学原理为基础，通过扫描探针与样品表面原子相互作用而成像的新型表面分析仪器。它属于继光学显微镜、电子显微镜之后的第三代显微镜。
在原子力显微镜系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。
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。微悬臂通常由一个一般100~500μm长和大约500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品－针尖间的相互作用力。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。
位置检测部分：在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂cantilever摆动，当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，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。
原子力显微镜发展
早期研制的为接触式原子力显微镜，它包括恒力模式和恒高模式。前者利用反射光位移引起的光电二极管输出电压的变化构成反馈回路控制压电陶瓷管伸缩，从而调节固定于扫描器上样品的位置，保持样品和探针间作用力(悬臂弯曲度)不变，测量每一点高度的变化。后者保持样品和探针间的距离不变，测量每一点作用力的大小。这种模式在调节探针与样品距离前即可直接观测悬臂弯曲度的改变。
除传统的接触式之外，1993年又研制出轻敲式原子力显微镜。由于探针与样品的接触短暂，因此它更适用于质地脆或固定不牢的样品。
原子力显微镜工作原理：利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力，从而达到检测的目的，具有原子级的分辨率。由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不足。是一种利用原子,分子间的相互作用力来观察物体表面微观形貌的新型实验技术，它有一根纳米级的探针,被固定在可灵敏操控的微米级弹性悬臂上.当探针很靠近样品时,其顶端的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲,偏离原来的位置.根据扫描样品时探针的偏离量或振动频率重建三维图像.就能间接获得样品表面的形貌或原子成分.
原子力显微镜的应用有获得材料表面的3D形貌、表面粗糙度和高度等信息，得到材料表面物理性质分布的差异，还可以揭示电化学的反应机理，原位研究金属腐蚀过程，有助于解决金属腐蚀机理。原子力显微镜是以扫描隧道显微镜基本原理发展起来的扫描探针显微镜，原子力显微镜的出现无疑为纳米科技的发展起到了推动作用，原子力显微镜的优点是在大气条件下，以高倍率观察样品表面，可用于几乎所有样品，而不需要进行其他制样处理。
原子力显微镜优缺点
相对于扫描电子显微镜，原子力显微镜具有许多优点。不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM提供真正的三维表面图。同时，原子力显微镜不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。扫描电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织。和扫描电子显微镜(SEM)相比，原子力显微镜的缺点在于成像范围太小、速度慢，受探头的影响太大。
原子力显微镜与扫描隧道显微镜相比，由于能观测非导电样品，因此具有更为广泛的适用性。当前在科学研究和工业界广泛使用的扫描力显微镜，其基础就是原子力显微镜。
原子力显微镜研究对象极其广泛，可以是有机固体、聚合物以及生物大分子等，样品的载体选择范围很大,包括云母片、玻璃片、石墨、抛光硅片、二氧化硅和某些生物膜等,其中Z常用的是新剥离的云母片,主要原因是其非常平整且容易处理。而抛光硅片Z好要用30%双氧水的7∶3 混合液在90 ℃下煮1h 。利用电性能测试时需要导电性能良好的载体,如石墨或镀有金属的基片。
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