原子力顯微鏡是用微小探針“摸索”樣品表面來(lái)獲得信息，所以測(cè)得的圖像是樣品Z表面的形貌，而沒(méi)有深度信息。掃描過(guò)程中，探針在選定區(qū)域沿著樣品表面逐行掃描。

原子力顯微鏡的原理

　　原子力顯微鏡是用一端固定而另一端裝有納米級(jí)針尖的彈性微懸臂來(lái)檢測(cè)樣品表面形貌的。當(dāng)樣品在針尖下面掃描時(shí)，同距離密切相關(guān)的針尖-樣品相互作用就會(huì)引起微懸臂的形變。也就是說(shuō)，微懸臂的形變是對(duì)樣品-針尖相互作用的直接反映。通過(guò)檢測(cè)微懸臂產(chǎn)生的彈性形變量ΔZ就可以根據(jù)微懸臂的彈性系數(shù)k和函數(shù)式F=kΔZ直接求出樣品-針尖間相互作用F。

　　原子力顯微鏡利用照射在懸臂的激光束的反射接收來(lái)檢測(cè)微懸臂的形變。由于光杠桿作用原理，即使小于0.01nm的微懸臂形變也可在光電檢測(cè)器上產(chǎn)生10nm左右的激光點(diǎn)位移，由此產(chǎn)生的電壓變化對(duì)應(yīng)著微懸臂的形變量，通過(guò)一定的函數(shù)變換便可得到懸臂形變量的測(cè)量值樣品在XY平面內(nèi)掃描時(shí)，若保持樣品在Z軸方向靜止，且令探針的豎直初始位置為零，則可根據(jù)針尖-樣品相互作用與間距的關(guān)系得到樣品表面的高度變化信息，即樣品表面任意點(diǎn)相對(duì)于初始位點(diǎn)的高度。對(duì)樣品表面進(jìn)行定域掃描便可得到此區(qū)域的表面形貌。

原子力顯微鏡技術(shù)參數(shù)的選擇

　　由原理可以看出原子力顯微鏡采集的是樣品表面的三維信息，因而能生成三維的圖像。步寬越小，單位面積上采集的數(shù)據(jù)越多。而步寬是由掃描速度決定的，因此當(dāng)掃描范圍較大時(shí)，應(yīng)該選擇較小的掃描速度，這樣采集的數(shù)據(jù)才足夠多。由于壓電陶瓷掃描器固有的誤差，在掃描過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的漂移，特別是當(dāng)掃描范圍小于50nm×50nm時(shí)，可能造成所選區(qū)域的某行重復(fù)掃描，從而造成假象，所以此時(shí)應(yīng)該選用較大的掃描速度而減小誤差。

原子力顯微鏡的操作步驟

　　①依次開(kāi)啟：電腦-控制機(jī)箱-高壓電源-激光器。

　　②用粗調(diào)旋鈕將樣品逼近微探針至兩者間距<1mm。

　?、墼儆眉?xì)調(diào)旋鈕使樣品逼近微探針：順時(shí)針旋細(xì)調(diào)旋鈕，直至光斑突然向PSD移動(dòng)。

　　④緩慢地逆時(shí)針調(diào)節(jié)細(xì)調(diào)旋鈕并觀(guān)察機(jī)箱上反饋?zhàn)x數(shù)：Z反饋信號(hào)約穩(wěn)定在-150至-250之間(不單調(diào)增減即可)，就可以開(kāi)始掃描樣品。

　?、葑x數(shù)基本穩(wěn)定后，打開(kāi)掃描軟件，開(kāi)始掃描。

　?、迴呙柰戤吅螅鏁r(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)細(xì)調(diào)旋鈕退樣品，細(xì)調(diào)要退到底。再逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)旋鈕退樣品，直至下方平臺(tái)伸出1厘米左右。

　?、邷y(cè)試完畢，依次關(guān)閉：激光器-高壓電源-控制機(jī)箱。

　?、嗵幚韴D像，得到數(shù)據(jù)。

原子力顯微鏡的適用范圍

　　由于原子力顯微鏡掃描過(guò)程是逐行掃描的，每行的掃描時(shí)間非常短。如果樣品的高低起伏比較大，致使有部分樣品表面探測(cè)不到而不能真實(shí)反應(yīng)形貌。所以通常要求樣品表面平整度較好，又由于所測(cè)的是微觀(guān)區(qū)域，至少要求局部較為平整。例如一般來(lái)說(shuō)樣品脆斷面起伏都較大，不太容易得到較好的圖像，有時(shí)甚至?xí)p壞探針。

　　在原子力顯微鏡試驗(yàn)中，由于懸臂與樣品表面間的距離非常小，探針的損壞經(jīng)常發(fā)生。另外，針尖的曲率半徑畢竟很小，非常容易被磨損，特別是在測(cè)試粗糙度較大的樣品時(shí)，磨損的更為嚴(yán)重。針尖一旦磨損，對(duì)測(cè)量范圍較大的圖像影響一般可以忽略，但如果所測(cè)樣品是納米尺度范圍，圖像主要為針尖特征，其納米尺度很可能分辨不出而造成假相。所以原子力顯微鏡技術(shù)的發(fā)展強(qiáng)烈依賴(lài)于帶有特殊針尖的微懸臂制備技術(shù)的發(fā)展，必須能夠簡(jiǎn)便、快速、批量生產(chǎn)。

　　原子力顯微鏡已經(jīng)在很多科學(xué)領(lǐng)域中得到成功應(yīng)用，并且容易獲得形貌特征信息和納米尺度上的粗糙度等，掃描探針顯微鏡已成為常規(guī)表征方法的非常好的研究工具。