原子力显微镜的基本原理及其方法学研究

　　以光学显微镜、电子显微镜、扫描隧道显微镜为代表的一系列先进显微技术的出现与应用,为人类科技和社会进步做出了巨大贡献。1986年，IBM公司的 G.Binning 和斯坦福大学的 C.F.Quate 及C. Gerber 合作发明的原子力显微镜(Atomic ForceMicroscope,AFM)[1]更是突出地显现了显微观测技术作为人类视觉感官功能的延伸与增强的重要性，它是在扫描隧道显微镜基础上为观察非导电物质经改进而发展起来的分子和原子级显微工具。对比于现有的其它显微工具，原子力显微镜以其高分辨、制样简单、操作易行等特点而备受关注，并已在生命科学、材料科学等领域发挥了重大作用，极大地推动了纳米科技的发展，促使人类进入了纳米时代。国际上有关AFM的研究和应用的文章层出不穷，并已经取得了辉煌的成就;国内也有一些研究成果，但总体来说质量不高，这与我国低的AFM普及率和使用率不无关系;另外，目前在国内还未发现完整介绍AFM成像原理、基本构成、工作模式、操作性能及仪器功能发展的文章出现。基于此，文章结合WET-SPM-9500J3 型显微镜对 AFM 做一次全面的介绍和探讨.

　　1 原子力显微镜的成像原理

　　AFM是用一端固定而另一端装有纳米级针尖的弹性微悬臂来检测样品表面形貌的。当样品在针尖下面扫描时，同距离密切相关的针尖-样品相互作用(见图3)就会引起微悬臂的形变。也就是说，微悬臂的形变是对样品-针尖相互作用的直接反映^[1] 。通过检测微悬臂产生的弹性形变量ΔZ,就可以根据微悬臂的弹性系数k和函数式F=k·ΔZ直接求出样品-针尖间相互作用F。AFM利用照射在悬臂尖端的激光束的反射接收来检测微悬臂的形变。由于光杠杆作用原理，即使小于0.01nm的微悬臂形变也可在光电检测器上产生 10nm 左右的激光点位移，由此产生的电压变化对应着微悬臂的形变量，通过一定的函数变换便可得到悬臂形变量的测量值^[2] 。当样品在 XY平面内扫描时(对某一点其坐标为[x,y])，若保持样品在Z轴方向静止，且令探针的竖直初始位置为零，则可根据针尖-样品相互作用与间距的关系(如图 3 曲线所示)得到样品表面的高度变化信息Δh(x,y)，即样品表面任意点(x,y)相对于初始位点的高度。对样品表面进行定域扫描便可得到此区域的表面形貌A=A(x,y, Δh(x,y))。

　　2 原子力显微镜的主要构件和性能

　　AFM 主要由为反馈光路提供光源的激光系统( L a s e r ) 、进行力 - 距离反馈的微悬臂系统(Cantilever)、执行光栅扫描和Z轴定位的压电扫描器(x,y,z Piezo-scanner)、接收光反馈信号的光电探测器(Detector)、反馈电子线路(Current Circle)、粗原子力显微镜的基本原理及其方法学研究略定位系统、防震防噪声系统、计算机控制系统与数据处理软件、样品探测环境控制系统(湿控、温控、气环境控制等)、监控激光-悬臂-样品相对位置的显微及CCD摄像系统等构成(见图1)。其中，前四大系统是该仪器的核心部件(见图2) ^[3] 。