原子力显微镜浅谈

《原子力显微镜浅谈》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、原子力显微镜浅谈摘要：本文简要概述原子力显微镜的工作原理及其结构组成，并对比说明了其工作模式，及原子力显微镜的优缺点，同时，对其具体应用领域也作了简要介绍。关键词原子力显微镜原理应用原了力显微镜(AtomicForceMicroscopy,AFM)是由IBM公司的Binnig与史丹佛大学的Quate于1985年所发明的，1990年完成了实用化装置并开始投放市场，日前AFM在世界上的普及速度大大超过丁STMo其冃的是为了使非导体也可以采用扫描探针显微镜(SPM)进行观测，因为STM是不能测眾绝缘材料。rfoAFM不但具有与STM同等高的分辨能力，还能直接

2、测定包括绝缘材料在内的各种物质。由于STM能够逐个地识别原子，所以作为显微镜来说是划时代的，但是不能直接测定绝缘物质是它的最人缺点，使用STM测定绝缘物质时，必须在试料表画复盖上一层导电薄膜，这时由于导电膜使试料表面发生了微细形状的变化，所以观察结果不能完全反映出实际形状。如何正确地反映出绝缘物质试料表面的真实情况，是口STM同壯以来最人的愿望，而AFM的出现就完全能够满足这些要求。由于自然界中存在的物质以及工业产品中有很多是绝缘材料，所以AFM比STM有着更广的应用范围。AFM的实用化是物质表表面计测手段的重大革新。如果在AFM上附加一些其它功能，那

3、么就不仅可以测出试料表面的形状数据资料，而且还能检测出摩擦力和磁力的大小。这一类的摩擦力显微镜FFM(FrictionForceMicroscope)>磁力显微镜MFM(MagneticForceMicroscope)等，日前也已经开始步人实用阶段。所谓AFM已经进入普及期，一方面是指它的应用范围迅速扩大。覆盖面越来越广，另一方而是指今后各种新型的AFM将不断涌现。可以适应各种需耍。下面简要介绍AFM的原理、结构及发展动向。2原子力显微镜概念原子力显微镜是一种利用原子、分子间的相互作用力來观察物休表面微观形貌的新型实验技术•它有一根纳米级的探针，被固定

4、在可灵敏操控的微米级弹性悬臂上.当探针很靠近样品时，其顶端的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲，偏离原来的位置•根据扌•!描样品时探针的偏离量或振动频率觅建三维图像.就能间接获得样品表面的形貌或原了成分.3原子力显微镜工作原理原子力显微镜(AFM)与扫描隧道显微镜(STM)最大的差别在于并非利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范徳华力(VanDerWaalsForce)作用来呈现样品的表面特性。假设两个原子屮，一个是在悬臂(cantilever)的探针尖端，另一个是在样本的表而，它们Z间的作用力会随距离的改变而变化，其作用力与距离的关系如“图1”

5、所示，当原了与原了很接近时，彼此电了云斥力的作用大于原子核与电子云之间的吸引力作用，所以整个合力表现为斥力的作用，反之若两原子分开有一定距离时，其电子云斥力的作用小于彼此原子核与电子云Z间的吸引力作用，故整个合力表现为引力的作用。若以能量的角度来看，这种原子与原子之间的距离与彼此之间能量的大小也可从Lennard-Jones的公式屮到另一种印证。原子•原子•排斥力原子原子吸引力图1、原子与原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离的不同而有所不同，其之间的能量表示也会不同。b为原子的直径1•为原子之间的距离从公式屮知道，当I•降低到某一程度时其能量为+E,

6、也代表了在空间中两个原了是相当接近且能量为正值，若假设I•增加到某一程度时，其能量就会为・E同时也说明了空间中两个原了Z间距离相当远的且能量为负值。不管从空间上去看两个原子之间的距离与其所导致的吸引力和斥力或是从当中能量的关系来看，原子力显微镜就是利用原子之间那奇妙的关系来把原子样子给呈现出来，让微观的世界不再神秘。在原子力显微镜的系统屮，是利用微小探针与待测物Z间交互作用力，来呈现待测物的表面Z物理特性。所以在原子力显微镜小也利用斥力与吸引力的方式发展出两种操作模式：(1)利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜(contactAFM),

7、探针与试片的距离约数个入。(2)利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为非接触式原子力显微镜(non-contactAFM),探针与试片的距离约数十到数百Ao原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，出于针尖尖端原了与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样晶的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。下面，我们以激光检

8、测原子力显微镜(AtomicForceMicroscopeEmployingLaserBeam