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原子力顯微鏡的基本原理

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原子力顯微鏡的基本原理

    STM只能在導電材料的樣品表面上分辨出單個的原子并得到原子結構的三維圖像。對于非導電材料,STM將無能為力,應用受到了限制。為了彌補STM的不足,分辨絕緣表面上的單個原子,1986年,Binnig,QuateGerber發明了原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy,AFM[1]。AFM是一種類似于STM的顯微技術,它的許多元件與STM是共同的,如用于三維掃描的壓電陶瓷系統以及反饋控制器等。它與STM主要不同點是用一個對微弱力極其敏感的易彎曲的微懸臂針尖(Cantilever)代替了STM的隧道針尖,并以探測懸臂的微小偏轉代替了STM中的探測微小隧道電流。正是因為AFM工作時不需要探測隧道電流,所以它可以用于分辨包括絕緣體在內的各種材料表面上的單個原子,其應用范圍無疑比STM更廣闊。但從分辨率來看,AFM要比STM略微低些。

    AFM的工作原理如圖3-1所示。對微弱力極其敏感的微懸臂一端則有一微小的針尖。AFM在圖像掃描時,針尖與樣品表面輕輕接觸,而針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力(10-8~10-6N(牛頓)),會使得懸臂產生的微小偏轉。這種偏轉被檢測出并用作反饋來保持力的恒定,就可以獲得微懸臂對應于掃描各點的位置變化,從而可以獲得樣品表面形貌的圖像。各種形式的AFM的區別主要在微懸臂偏轉的檢測方式上,通常有隧道電流檢測法,光學檢測法和電容測量法。

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