分析测试百科网 > 行业资讯 > 技术原理

原子力显微镜探针的显微镜由来

2019.12.16

原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)是一种具有原子分辨率的表面形貌、电磁性能分析的重要仪器。1981年，STM（scanning tunneling microscopy, 扫描隧道显微镜）由IBM-Zurich 的Binnig and Rohrer 发明。1982年，Binnig首次观察到原子分辨图Si(7x7)。1985年，Binnig, Gerber和Quate开发成功了首台AFM（atomic force microscope, 原子力显微镜）。在表面科学、纳米技术领域、生物电子等领域， SPM（scanning probe microscopy）逐渐发展成为重要的、多功能材的材料表征工具。

STM 要求样品表面导电，而AFM可以测试绝缘体的表面形貌和性能。因为STM的基本原理是通过测量探针与样品表面的隧道电流大小来探测表面形貌，而AFM是测量探针与样品表面的相互作用力。AFM由四个部分组成：机械运动部分、悬臂偏转信号光学检测系统、控制信号反馈系统，成像和信息处理软件系统。探针与样品之间的相互作用力使微悬臂向上或向下偏转，利用激光将光照射在悬臂的末端，反射光的位置改变就用来测器此悬臂的偏移量，这种检测方法最先由Meyer 和Amer提出。机械部分的运动（探针上、下以及横向扫描运动）是有精密的压电陶瓷控制。激光反射探测采用PSD。反馈和成像系统控制探针和样品表面间距以及最后处理实验测试结果。

原子力显微镜AFM操作模式

随着AFM技术的发展，各种新应用不断涌现。具体包括如下技术:

(1) 接触模式 (contact mode) 最早的模式，探针和样品直接接触，探针容易磨损，因此要求探针较软，即悬臂的弹性系数小，一般小于1N/m。

(2) 轻敲模式（tapping mode)也叫Dynamic Force或者Intermittant-contact。探针在外力驱动下共振，探针部分振动位置进入力曲线的排斥区，因此探针间隙性的接触样品表面。探针要求很高的悬臂弹性系数来避免与样品表面的微层水膜咬死。Tapping mode对样品作用力小，对软样品特别有利于提高分辨率。同时探针的寿命也较contact mode的稍长。

以上是最常用的AFM模式，别的模式还有很多：如

Lateral Force Microscopy（横向力显微镜，检测样品表面微区对探针横向的摩擦力，可以获得材料的力学性能），

Noncontact mode Force（非接触模式显微镜，与tapping mode基本相同，区别是非接触模式探针工作在力曲线的吸引区），

Force Modulation （力调制显微镜，探针对检测样品表面微区有很大的力，可以获得材料微区的弹性系数等力学性能），

CFM chemical force microscopy

EFM electric force microscopy

KFM Kelvin force microscopy

MFM magnetic force microscopy

SThM Scanning thermal microscopy

SCM Scanning capacitance microscope

SCPM Scanning chemical potential microscope

SEcM Scanning electrochemical microscope