原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，簡(jiǎn)稱AFM)是一種高分辨的新型顯微儀器，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括半導(dǎo)體、納米功能材料、生物、化工、醫(yī)藥等研究領(lǐng)域中，成為科學(xué)研究中重要的工具之一。
原子力顯微鏡主要組成部分
一臺(tái)AFM通常由以下幾個(gè)核心部分構(gòu)成：
1、探針：
這是AFM的“手指”，通常由硅或氮化硅制成。
探針的末端非常尖銳，其針尖的曲率半徑通常在納米量級(jí)（幾個(gè)到幾十個(gè)納米），這是AFM能夠達(dá)到高分辨率的關(guān)鍵。
探針附著在一個(gè)微懸臂 的末端。
2、微懸臂：
一個(gè)非常柔軟、有彈性的小彈簧片。
當(dāng)針尖與樣品表面相互作用時(shí)，微懸臂會(huì)發(fā)生極其微小的彎曲或偏轉(zhuǎn)。作用力越大，偏轉(zhuǎn)越大。
3、檢測(cè)系統(tǒng)：
用于實(shí)時(shí)、精確地測(cè)量微懸臂的微小偏轉(zhuǎn)。常用的方法是光學(xué)杠桿法。
工作原理：一束激光從微懸臂的背面反射，照射到一個(gè)位置靈敏探測(cè)器上。當(dāng)微懸臂彎曲時(shí)，反射光斑的位置會(huì)發(fā)生移動(dòng)。探測(cè)器檢測(cè)到這個(gè)位移，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這個(gè)信號(hào)的變化直接反映了針尖與樣品之間作用力的變化。
4、掃描器：
一個(gè)由壓電陶瓷材料制成的精密移動(dòng)平臺(tái)。壓電陶瓷具有電致伸縮效應(yīng)，即施加電壓后，其長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生微小且精確的變化。
掃描器可以帶著樣品（或探針）在X、Y、Z三個(gè)方向上進(jìn)行納米級(jí)精度的移動(dòng)。
5、反饋控制系統(tǒng)：
這是AFM的大腦。它接收來自檢測(cè)器的信號(hào)（代表懸臂的偏轉(zhuǎn)），并將其與一個(gè)預(yù)設(shè)的設(shè)定值 進(jìn)行比較。
如果信號(hào)與設(shè)定值不同，反饋系統(tǒng)就會(huì)向Z方向的壓電陶瓷施加一個(gè)電壓，使其伸長(zhǎng)或縮短，從而抬高或降低樣品（或探針），以維持懸臂的偏轉(zhuǎn)量恒定。
原子力顯微鏡的功能特點(diǎn)
高分辨率：具有原子級(jí)別的識(shí)別能力，可以在多種環(huán)境下(空氣或者具有溶液的環(huán)境下)對(duì)各種材料和樣品進(jìn)行納米級(jí)別的觀察與探測(cè)。
廣泛適用性：既可以觀察導(dǎo)體，也可以觀察非導(dǎo)體，從而彌補(bǔ)了掃描隧道顯微鏡的不足。
三維模擬顯示：可對(duì)樣品的形貌進(jìn)行豐富的三維模擬顯示，使圖像更適合于人的直觀視覺。
粗糙度測(cè)量：可用于樣品表面微區(qū)高分辨的粗糙度測(cè)量，應(yīng)用合適的數(shù)據(jù)分析軟件能得到測(cè)定區(qū)域內(nèi)粗糙度各表征參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
原子力顯微鏡的使用方法
1.將待測(cè)樣品放置在一個(gè)平坦的基座上，并固定好，確保樣品表面干凈、光滑以及無(wú)塵等雜質(zhì)。
2.調(diào)整儀器參數(shù)，通過控制電壓和掃描速度等參數(shù)來獲得成像效果，這些參數(shù)需要根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。
3.在試驗(yàn)環(huán)境中建立合適的振動(dòng)隔離系統(tǒng)，以降低外界震動(dòng)對(duì)成像結(jié)果的影響。
4.選擇合適的探頭(probe)，探頭通常由硅或碳纖維制成，并且有不同形狀和尺寸可供選擇，根據(jù)所需解析度和測(cè)量目標(biāo)選擇合適的探頭。
5.打開設(shè)備并啟動(dòng)掃描程序，通過操縱機(jī)械臂將探針移至待測(cè)區(qū)域，并使其與樣品輕輕接觸。
6.在掃描過程中，原子力顯微鏡會(huì)記錄被測(cè)樣品表面頂部與探針間相互作用力變化情況，并轉(zhuǎn)換為圖像顯示出來。這些相互作用力包括吸引力、斥力、摩擦力等等。
7.在完成掃描之后關(guān)閉設(shè)備并保存數(shù)據(jù)，對(duì)于進(jìn)一步分析或處理數(shù)據(jù)可以使用專門軟件進(jìn)行操作。
以下是具體儀器圖，供參考：
關(guān)注微信