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原子力顯微鏡的基本工作原理
原子力顯微鏡的基本工作原理
原子力顯微鏡系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：(1)帶針尖的力敏感元件;(2)力敏感元件運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置;(3)監(jiān)控力敏感元件運(yùn)動(dòng)的反饋回路;(4)掃描系統(tǒng)(一般使用壓電陶瓷)，其作用是使樣品進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng);(5)圖象采集及顯示;(6)圖象處理系統(tǒng)。其中關(guān)鍵的是前兩部分。
原子力顯微鏡的工作原理如圖2所示。將一個(gè)對(duì)微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸。使針尖在樣品的表面上掃描，由于針尖原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力(10-8-10-6N)，原子間作用力的檢測(cè)主要由光杠桿技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果探針和樣品間有力的作用，懸臂將會(huì)彎曲。為檢測(cè)懸臂的微小彎曲量(位移)，采用激光照射懸臂的，四象限探測(cè)器就可檢測(cè)出懸臂的偏轉(zhuǎn)。如果控制這種力在掃描過(guò)程中保持恒定，則微懸臂將在垂直于樣品表面的方向上起伏運(yùn)動(dòng)，利用隧道電流檢測(cè)法或光學(xué)檢測(cè)方法，測(cè)定微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。
根據(jù)原子力顯微鏡所測(cè)力的性質(zhì)的不同，其工作模式及微懸臂運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)方法將有所不同。所謂工作模式，主要是指AFM工作時(shí)微懸臂運(yùn)動(dòng)所處的狀態(tài)，主要可分為兩種。一種為準(zhǔn)靜態(tài)工作模式，此時(shí)針尖與樣品的相互作用力較強(qiáng)，微懸臂有較大形變，可用隧道電流法，電容及激光束偏轉(zhuǎn)探測(cè)法等直接檢測(cè)此形變。處于該模式，針尖與樣品的間距小于0.03nm，基本上是緊密接觸的(故又稱(chēng)接觸模式)。由于此時(shí)二者電子云發(fā)生重疊，導(dǎo)致儀器的分辨率*，可達(dá)原子級(jí)水平。運(yùn)用此種模式可測(cè)量原子間的相互作用力，所測(cè)zui小力可達(dá)10-9N。對(duì)于針尖與樣品間的摩擦力，也可用該模式進(jìn)行測(cè)量，這時(shí)zui小檢測(cè)極限可達(dá)10-10N。根據(jù)反饋方式的不同，該模式又可分成恒力模式和形變變化模式兩種。前者反饋信號(hào)控制樣品上下運(yùn)動(dòng)，使得微懸臂的形變及其與樣品間的相互作用力保持恒定;后者樣品只進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)，反饋線路控制使得微懸臂隨表面的起伏而上下運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，由于反饋直接控制隧道針尖，導(dǎo)致儀器工作穩(wěn)定，但其數(shù)據(jù)的解釋要困難一些。
上面描述的這種接觸模式適應(yīng)于對(duì)硬表面的觀察，并可達(dá)到較高的分辨率，但這種接觸模式與樣品表面相互作用較強(qiáng)，對(duì)于生物樣品，由于它相對(duì)于云母，石墨及金等固體材料具有較大的柔軟性，目前對(duì)其觀察還沒(méi)有達(dá)到足夠高的分辨率，在針尖掃描時(shí)，有時(shí)還會(huì)造成樣品表面的損傷。而對(duì)于吸附在堅(jiān)硬表面的樣品，在探針的作用下有時(shí)會(huì)被移動(dòng)而不利于成像。對(duì)于生物材料，由于其表面較軟如果采用接觸模式，在不降低其分辨率的情況下，應(yīng)盡量降低針尖與樣品的作用力，以免造成表面損傷。