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原子力顯微鏡(AFM)的工作原理

 如同一個人利用一艘小船和一根竹竿繪制河床的地形圖。人可以站在小船上將竹竿伸到河底,以此判斷該點的位置河床的深度,當在一條線上測量多個點后就可以知道河床在這條線上的深度。同樣道理繪制多條深度線進行組合,一張河床的地形圖就誕生了。與此類似,在原子力顯微鏡(AFM)工作時的,原子力傳感器相當于人和他手中的竹竿,探針頂端原子與樣品原子間作用力的大小就相當于竹竿觸及河底時水面下的長度。這樣,在一艘小船(控制系統)的控制下進行逐點逐行的掃描,原子力顯微鏡(AFM)就可以繪制出一張顯微圖像啦。

原子力顯微鏡的原理示意圖

 
原子力顯微鏡(AFM)的原理示意圖
 
原理解釋起來并不算十分復雜,但是AFM的發明、使用與改進匯聚了大批科學家們的辛勞努力和創造性思維。特別是拍攝到氫鍵實空間圖像所使用的非接觸式原子力顯微鏡,經過分子沉積、溫度控制、防振、探針、真空、控制系統等多方面的摸索與改造才最終具有如此強大的分辨能力。
 
細說原子力顯微鏡的技術及工作原理
 
將一個對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,由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力,通過在掃描時控制這種力的恒定,帶有針尖的微懸臂將對應于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運動。利用光學檢測法或隧道電流檢測法,可測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信息。我們以激光檢測原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection,Laser-AFM)來詳細說明其工作原理。
 
原子力顯微鏡的技術原理
 
如上圖所示,二極管激光器(Laser Diode)發出的激光束經過光學系統聚焦在微懸臂(Cantilever)背面,并從微懸臂背面反射到由光電二極管構成的光斑位置檢測器(Detector)。在樣品掃描時,由于樣品表面的原子與微懸臂探針尖端的原子間的相互作用力,微懸臂將隨樣品表面形貌而彎曲起伏,反射光束也將隨之偏移,因而,通過光電二極管檢測光斑位置的變化,就能獲得被測樣品表面形貌的信息。
 
在系統檢測成像全過程中,探針和被測樣品間的距離始終保持在納米(10e-9米)量級,距離太大不能獲得樣品表面的信息,距離太小會損傷探針和被測樣品,反饋回路(Feedback)的作用就是在工作過程中,由探針得到探針-樣品相互作用的強度,來改變加在樣品掃描器垂直方向的電壓,從而使樣品伸縮,調節探針和被測樣品間的距離,反過來控制探針-樣品相互作用的強度,實現反饋控制。因此,反饋控制是本系統的核心工作機制。本系統采用數字反饋控制回路,用戶在控制軟件的參數工具欄通過以參考電流、積分增益和比例增益幾個參數的設置來對該反饋回路的特性進行控制。
 

 

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