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2025-09-29
AFM工作原理和结构解析
【摘要】：AFM正是基于这一原理，利用一个尖锐的针尖去接近或接触样品表面，通过检测针尖与样品表面原子间的微弱作用力来达到测量的目的。人们通过计算发现，制造一个弹性系数小于原子之间的相关的量是很容易的。而一片4 mm长1 mm宽的家用铝箔的弹性系数约1 N／m。图3-43两个原子间的相互作用力与间距的关系跟所有的扫描探针显微镜一样，AFM使用一个极细的探针在样品表面进行光栅扫描。图3-44AFM的工作原理
根据物理学的研究，两个原子间的相互作用力与它们之间的距离存在一定的关系，如图3-43所示。当两个原子从无限远的距离慢慢靠近时，原子间呈现的是相互吸引力，而且吸引力随距离的减小而增大；当两个原子靠近到一定距离（r=I／6δ）后，进一步靠近时，原子间的吸引力随之变小；随着两个原子距离的进一步降低，原子间会表现出排斥力，力的大小随原子间距的减小而迅速增大。
如果能对原子间的相互作用力进行检测的话，我们就可推算出原子之间的间距。AFM正是基于这一原理，利用一个尖锐的针尖去接近或接触样品表面，通过检测针尖与样品表面原子间的微弱作用力来达到测量的目的。原子间的作用力很小，如何才能灵敏地加以利用？人们通过计算发现，制造一个弹性系数小于原子之间的相关的量是很容易的。例如，结合在分子或晶格中的原子的振荡频率（ω）为1012 Hz或更高，原子的质量（m）在10-25 kg左右，则原子之间的弹性系数（ω2m）为10 N／m的量级。而一片4 mm长1 mm宽的家用铝箔的弹性系数约1 N／m。因此利用这类可敏感到0.1 nm的偏移量的弹性悬臂，人们可以获得原子级的形貌图像。而且所利用的这种力也不至于大到使原子离开它原来所在的位置。这种力的检测是通过检测弹性悬臂的微小变形来实现的。因为针尖与样品之间的作用力非常小（通常在10-12～10-8N之间），因此导致的悬臂的形变也非常小，需要用灵敏的传感器来检测。常用的检测方法有电容法、激光干涉法、隧道电流法和光束偏转法，以及采用自检测变形的微悬臂等。微悬臂变形的检测方法各有优缺点，当前最常用的是原理和结构都比较简单的激光光束偏转的方法，因此下面就只介绍这类AFM的结构。
图3-43 两个原子间的相互作用力与间距的关系(https://www.chuimin.cn)
跟所有的扫描探针显微镜一样，AFM使用一个极细的探针在样品表面进行光栅扫描。探针位于一个悬臂的末端顶部，可对针尖和样品间的作用力做出反应，如图3-44所示。当悬臂弯曲时，激光器发出的光将被反射到分裂的光二极管上，并将信号传输给计算机系统。在样品扫描时，由于样品表面的原子与悬臂顶端的探针尖端的原子间存在相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌的高低起伏而发生弯曲变化，反射光束也将随之发生偏移。因此，通过检测光二极管上光斑位置的变化，就可获得被检测样品的表面形貌信息。
图3-44 AFM的工作原理
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