原子力显微镜的工作原理：介绍与应用

AFM的工作原理简而言之就是用微小探针“摸索”样品表面来获得信息。当针尖接近样品时,针尖受到力的作用,使悬臂发生偏转或振幅改变,经检测系统检测后转变成电信号传递给反馈系统和成像系统,记录扫描过程中一系列探针的变化就可以获得样品表面信息图像。

AFM检测样品表面微观形貌时,可以采用三种不同的扫描成像模式:接触模式、非接触模式和轻敲模式,如图2.4.4所示。

图2.4.4　AFM的三种扫描成像模式[19]

1.接触模式

该方式所感知的力是接触原子的外层电子相互排斥的库仑力,大小在10-11～10-8 N。该方式可以获得稳定的高分辨率(可能达到原子级分辨率)的样品表面微观形貌图像。但是这种工作模式有其自身的一些缺点:例如,由于是接触式扫描,当检测样品为软质的时,针尖力可能会划伤样品表层或使其变形;在大气条件下,样品表面的吸附层可能会引起像的畸变;经过多次扫描后,容易造成针尖的钝化或损坏。(www.xing528.com)

2.非接触模式

在进行非接触扫描模式测量时,针尖与样品表面的距离在5～20 nm,测量的作用力以范德华引力为主。由于探针和样品不接触,可以避免表面变形、针尖磨损等问题,但这种测量模式的分辨率比接触模式和轻敲模式都低。

3.轻敲模式

在轻敲模式下,探针以一定的频率在样品表面进行敲击,通过感知悬臂所受的力来探测表面距离针尖的远近进而得到原子形貌。轻敲模式的分辨率可与接触式比拟,比非接触式探针更靠近样品表面,但损害样品或探针的可能性又比接触式小。

在实际应用中,要根据具体情况选择相应的模式,对表面较硬且较平整的样品,可以用接触模式提高分辨率;在分辨率要求不高的情况下,为了延长针尖的寿命,可以采用非接触模式;对样品表面起伏较大又有一定分辨率要求的测试,可以选择使用轻敲模式。