原子力顯微鏡利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細(xì)探針與受測(cè)樣品原子之間的作用力，從而達(dá)到檢測(cè)的目的，具有原子級(jí)的分辨率。在微電子學(xué)、微機(jī)械學(xué)、新型材料、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

原子力顯微鏡是什么

　　原子力顯微鏡是一種可用來(lái)研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。它通過(guò)檢測(cè)待測(cè)樣品表面和一個(gè)微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來(lái)研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。將一對(duì)微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時(shí)它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發(fā)生形變或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。

　　原子力顯微鏡掃描樣品時(shí)，利用傳感器檢測(cè)這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級(jí)分辨率獲得表面結(jié)構(gòu)信息。它主要由帶針尖的微懸臂、微懸臂運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置、監(jiān)控其運(yùn)動(dòng)的反饋回路、使樣品進(jìn)行掃描的壓電陶瓷掃描器件、計(jì)算機(jī)控制的圖像采集、顯示及處理系統(tǒng)組成。微懸臂運(yùn)動(dòng)可用如隧道電流檢測(cè)等電學(xué)方法或光束偏轉(zhuǎn)法、干涉法等光學(xué)方法檢測(cè)，當(dāng)針尖與樣品充分接近相互之間存在短程相互斥力時(shí)，檢測(cè)該斥力可獲得表面原子級(jí)分辨圖像，一般情況下分辨率也在納米級(jí)水平。原子力顯微鏡測(cè)量對(duì)樣品無(wú)特殊要求，可測(cè)量固體表面、吸附體系等。

原子力顯微鏡的常見(jiàn)問(wèn)題

　　1、原子力顯微鏡探測(cè)到的原子力的由哪兩種主要成分組成?

　　原子力顯微鏡探針與樣品表面原子之間存在多種作用力，其中包括范德瓦耳斯力、排斥力、靜電力、形變力、磁力、化學(xué)作用力等。原子力顯微鏡使用時(shí)，會(huì)消除出來(lái)范德瓦耳斯力以及排斥力之外作用力的影響;再加上，除了以上兩種力之外，其他力本身也相對(duì)較小。

　　因此，原子力顯微鏡探測(cè)到的原子力主要由范德瓦爾斯力以及排斥力組成。其中范德瓦耳斯力為吸引力，排斥力的本質(zhì)為原子電子云之間的相互作用，其本質(zhì)為一種量子效應(yīng)。

　　2、怎樣使用原子力顯微鏡，才能較好地保護(hù)探針?

　　探針價(jià)格較為昂貴，操作可能損壞探針的時(shí)候應(yīng)該緩慢、小心。在將樣品靠近探針的過(guò)程中，先順時(shí)針旋轉(zhuǎn)粗調(diào)旋鈕，在樣品距離探針約為1mm的地方改用細(xì)調(diào)旋鈕。調(diào)整細(xì)調(diào)旋鈕的時(shí)候，觀察控制機(jī)箱上的讀數(shù)。

　　在這個(gè)過(guò)程中，始終注意觀察，以免使得樣品過(guò)于靠近探針，壓壞探針。在測(cè)量過(guò)程中，注意掃描頻率不要太快，以免損傷探針。原子力顯微鏡使用完后，必須先逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)細(xì)調(diào)旋鈕，再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)粗調(diào)旋鈕，以取出樣品，以避免對(duì)于探針的損傷。

　　3、原子力顯微鏡有哪些應(yīng)用?

　　原子力顯微鏡可以在真空、超高真空、氣體、溶液、電化學(xué)環(huán)境、常溫和低溫等環(huán)境下工作，因此具有較廣的應(yīng)用范圍。

　　在物理學(xué)中，原子力顯微鏡可以用于研究金屬和半導(dǎo)體的表面形貌、表面重構(gòu)、表面電子態(tài)及其動(dòng)態(tài)過(guò)程、超導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)和電子態(tài)層狀材料中的電荷密度等。

　　在生物學(xué)中，原子力顯微鏡可以應(yīng)用于生物大分子的結(jié)構(gòu)以及其他性質(zhì)的研究，例如對(duì)于蛋白質(zhì)、RNA、DNA，甚至細(xì)胞以及病毒的觀察中。

　　另外，由于原子力顯微鏡具有可以間接測(cè)得力與間距關(guān)系的特性，因此，除了將它用于形貌觀測(cè)方面，它還可以被用于測(cè)量原子間作用力上。

　　4、與傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡相比，原子力顯微鏡的分辨本領(lǐng)主要受什么因素限制?

　　傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)受到光衍射極限的限制，其Z小分辨距離為其光波長(zhǎng)的一半。電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)同樣受到衍射極限的限制，其Z小分辨本領(lǐng)為電子德布羅意波長(zhǎng)的一半，因此電子顯微鏡可以達(dá)到比傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡更高的分辨本領(lǐng)。

　　原子力顯微鏡的分辨本領(lǐng)主要取決于：探針針尖的尺寸;微懸臂的彈性系數(shù)，彈性系數(shù)越低，原子力顯微鏡越靈敏;懸臂的長(zhǎng)度和激光光線的長(zhǎng)度之比;探測(cè)器PSD對(duì)光斑位置的靈敏度。對(duì)于分辨率一定的圖像，掃描范圍越小，獲得的表面形貌越精細(xì)。

　　5、要對(duì)懸臂的彎曲量進(jìn)行精確測(cè)量，除了在原子力顯微鏡中使用光杠桿這個(gè)方法外，還有哪些方法可以達(dá)到相同數(shù)量級(jí)的測(cè)量精度?

　　對(duì)于懸臂彎曲的測(cè)量還可以采取電學(xué)方法，包括隧道電流法以及電容法。

　　隧道電流法根據(jù)隧道電流對(duì)電極間距離非常敏感的原理，將SIM用的針尖置于微懸臂的背面作為探測(cè)器，通過(guò)針尖與微懸臂間產(chǎn)生的隧道電流的變化就可以檢測(cè)由于原子間相互作用力令微懸臂產(chǎn)生的形變。

　　電容法通過(guò)測(cè)量微懸臂與一參考電極間的電容變化來(lái)檢測(cè)微懸臂產(chǎn)生的形變。