原子力显微镜的工作原理

尽管扫描隧道显微镜取得了巨大的成功，但很明显，STM有根本性的缺点——使用STM，人们只能研究导电或导电层包覆的样品。

宾尼发明了原子力显微镜，克服了这一缺点。他是第一个猜测在与样品表面的相互作用下，具有尖锐尖端的宏观悬臂梁可以被原子力弯曲到足够大的量，从而可以用普通仪器测量。在第一实施例中，使用STM测量尖端位移(图1)。

图1．从Binnig、Quate和Gerber纸上首次建立原子力显微镜的实验装置

对于悬臂弯曲的配位，使用了许多方法，但目前最有用和广泛使用的方法是Amer和Meyer发明的方法(图2)。根据他们的说法，原子力显微镜包括安装在微机械悬臂上的尖端。当探针扫描要研究的表面时，探针和样品表面之间的原子间的作用力会导致探针的位移和悬臂梁的相应弯曲。

图2。专利“原子力显微镜”AFM原理图

通过向悬臂梁发射和反射激光束来测量悬臂梁的方向。用位置敏感探测器(最好是双室探测器)检测反射的激光束。双单元的输出提供给计算机处理数据，以提供具有原子分辨率的表面的地形图像。

目前使用的位置敏感探测器是四节，不仅可以测量纵向，也可以测量扭转弯曲。

悬臂梁不仅可以被探针与样品表面相互作用下的直接接触力所弯曲，还可以被范德华力、磁力、电力等远距作用力所弯曲。首先由Binnig提出悬臂梁可以在扫描状态下振动。振动可以在针尖与样品表面直接接触的情况下进行，而不接触振动下的表面，也可以在振动下进行间歇性接触(半接触)。扫描可以是多次通过，每一次通过都可以提供关于被调查样本的额外信息。

所有这些能力产生了许多SFM操作的技术和模式。下面我们将考虑各种直流和交流触点、半导体、非接触和多通道技术和模式。

直流接触技术

在理想的实验条件下(如在超高真空中)，当悬臂顶端接近样品表面时，范德华力开始作用于其上。它们的范围足够广，在几十埃的距离就能感觉到。在几埃的距离处，斥力开始起作用。

在实际条件下(环境空气中)，空气中几乎总是有一定的湿度，样品和针尖表面都吸附着水层。当悬臂接近样品表面时，毛细管力产生，保持尖端与表面接触，并增加最小可达到的相互作用力。

探针和样品之间的静电相互作用可能经常出现。这可能是相互吸引，也可能是相互排斥。范德华引力，毛细管，静电和斥力在尖端接触样品和来自变形悬臂作用在尖端的力在平衡中相互补偿。

在接触工作模式下，扫描下的悬臂挠度反映了排斥力，并以此作为反馈电路或它们的组合来想象样品表面轮廓。

在扫描下获取地形的同时，可以想象被调查样品的一些其他特征。如果探针是导电的，则可以对样品的扩散电阻进行成像。如果在垂直于悬臂纵轴的方向(横向方向)进行扫描，则摩擦力引起悬臂扭转。通过使用位置敏感的四段探测器测量这种扭转，可以同时与地形想象摩擦力分布在整个样品表面。

技术交流接触

Binnig首先提出了摆动悬臂扫描力显微镜的应用。这种振荡可以发生在非接触、间歇接触(半接触)和接触(交流接触)模式。

图3．机械当量包括侧向和垂直尖端-样品相互作用力。

交流接触模式的特点在于与悬臂梁同时参与振动。在那个样品表面的振荡不仅是法向的(平面外的)，而且是横向的，而且悬臂梁可以在高次谐波中振荡。

悬臂振动的压力可以由样品支架下的扫描仪、压电驱动器和特殊传感器提供。悬臂振动也可以由尖端样品的电力激发。因此，振荡的频率可以在几十千赫到几兆赫兹之间变化。

交流接触模式的测量与地形接触模式测量同时进行，可以确定接触刚度、杨氏模量和其他样品参数。

Semicontact技术

Binnig首先提出了摆动悬臂扫描力显微镜的应用。振动悬臂扫描的早期实验实现在工作中已经实现。研究了力梯度对悬臂梁频移的影响以及非接触扫描试样表面的可能性。还必须指出的是，Durig研究了在STM尖端影响下振荡悬臂梁的频移。

振荡频率随感应斥力的相对小位移意味着振荡时悬臂尖与样品表面的接触不是恒定的。只有在振荡周期的一小部分，尖端“感觉到”接触排斥力。特别是与振幅相对较高的振荡有关。以这种方式振荡的扫描样品表面不是非接触，而是间歇接触。扫描力显微镜操作的对应模式(间歇接触模式或半接触模式)是常见的做法。

“感受”扫描下的接触斥力导致悬臂振动相对于压电驱动器振动的额外相移。这种相移取决于材料的特性。扫描下的相移配准(相位对比成像模式)对于纳米结构和地相材料是非常有用的。亚博网站下载与接触误差模式类似，半导体误差模式可用于在大面积上查找微小的不规则性。

与直流接触模式相比，半导体接触模式具有一些优点。首先，在这种模式下，悬臂对表面的压力较小，这使得工作更软，容易损坏的材料，如聚合物和生物有机物。亚博网站下载半接触模式对与表面的相互作用也更为敏感，这为研究表面的一些特性提供了可能——磁畴和电畴的分布、表面的弹性和粘度。

图4．Semicontact技术

非接触式技术

非接触AFM (NC AFM)，发明于1987年，提供了独特的优势，比其他当代扫描探针技术，如接触AFM和STM。在NC AFM中没有排反力(出现在接触AFM中)允许它在成像“软”样品中使用，不像STM, NC AFM不需要导电样品。

图5．非接触式技术

Many-Pass技术

一般来说，多通道技术用于在该地形上获取数据以外的任务，必须消除不必要的副作用。作为例子，左侧图象线扫描通过单一磁畴为不同的初始尖端样品间距提出。类似的测量可以用于确定固体衬底上的液体薄膜的厚度，纳米操作(例如定位单个原子)，纳米蚀刻。

第一次通过可以在接触或频率调制(间歇接触，半接触)模式下进行。第二次测试可以测量电势、磁场、耗散、表面电容分布。在某些情况下，第三道工序是必要的，特别是为了消除地形和表面电场的影响。

图6．介绍了不同初始针尖样品间距的单磁畴线扫描

这些信息已从NT-MDT光谱仪器提供的材料中获取、审查和改编。亚博网站下载

有关此来源的更多信息，请访问NT-MDT光谱仪器．