原子力顯微鏡是通過探針與被測樣品之間微弱的相互作用力(原子力)來獲得物質(zhì)表面形貌的信息。因此，原子力顯微鏡除導(dǎo)電樣品外，還能夠觀測非導(dǎo)電樣品的表面結(jié)構(gòu)，且不需要用導(dǎo)電薄膜覆蓋，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏鼮閺V闊。

原子力顯微鏡的主要結(jié)構(gòu)

　　原子力顯微鏡主要由為反饋光路提供光源的激光系統(tǒng)、進(jìn)行力-距離反饋的微懸臂系統(tǒng)、執(zhí)行光柵掃描和Z軸定位的壓電掃描器、接收光反饋信號的光電探測器、反饋電子線路、粗略定位系統(tǒng)、防震防噪聲系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理軟件、樣品探測環(huán)境控制系統(tǒng)濕控、溫控、氣環(huán)境控制等、監(jiān)控激光-懸臂-樣品相對位置的顯微及CCD攝像系統(tǒng)等構(gòu)成。

　　1、激光器單元

　　原子力顯微鏡激光器是光反饋通路的信號源。由于懸臂的空間有限性，就對照射器上的光束寬度提出了一定要求：足夠細(xì)、單色性好、發(fā)散程度弱;同時也要求光源的穩(wěn)定性高，可持續(xù)運(yùn)行時間久，工作壽命長。而激光正是能夠很好地滿足上述條件的光源。

　　2、微懸臂單元

　　微懸臂是探測樣品的直接工具，它的屬性直接關(guān)系到原子力顯微鏡的精度和使用范圍。微懸臂必須有足夠高的力反應(yīng)能力，這就要求懸臂必須容易彎曲，也易于復(fù)位，具有合適的彈性系數(shù)，使得零點(diǎn)幾個納牛甚至更小的力的變化都可以被探測到;同時也要求懸臂有足夠高的時間分辨能力，因而要求懸臂的共振頻率應(yīng)該足夠高，可以追隨表面高低起伏的變化。根據(jù)上述兩個要求，微懸臂的尺寸必須在微米的范圍，而位于微懸臂末端的探針則在10nm左右，而其上針尖的曲率半徑約為30nm，懸臂的固有頻率則必須高于10Hz。

　　3、壓電掃描單元

　　原子力顯微鏡要探測樣品表面的精細(xì)結(jié)構(gòu)，除了高性能的微懸臂以外，壓電掃描器壓電換能器的精確掃描和靈敏反應(yīng)也是同樣重要的。壓電換能器是能將機(jī)械作用和電訊號互相轉(zhuǎn)換的物理器件。它不僅能夠使樣品在XY掃描平面內(nèi)精確地移動，也能靈敏地感受樣品與探針間的作用，同時亦能將反饋光路的電訊號轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移，進(jìn)而靈敏地控制樣品和探針間的距離力，并記錄因掃描位置的改變而引起的Z向伸縮量。這樣，壓電掃描器就對樣品實(shí)現(xiàn)了表面掃描。常見掃描器的Z小分辨率為0.1nm×0.1nm×0.1nm。

　　4、光電檢測與反饋單元

　　目前原子力顯微鏡探測懸臂微形變的主要方法是光束偏轉(zhuǎn)法：用一束激光照在微懸臂的，而用位置靈敏光檢測器(PSPD)來接收懸臂的反射激光束，并輸出反映反射光位置的信號。由于懸臂的形變會引起反射光束的偏移，導(dǎo)致反射光在PSPD上位置的變化，進(jìn)而產(chǎn)生反應(yīng)懸臂的形變的電訊號，以供調(diào)節(jié)壓電掃描器的伸縮控制。

　　作為原子力顯微鏡的核心部件，它們是不可或缺的，要得到滿意的試驗(yàn)圖像，總是要求各個部件的工作狀態(tài)都達(dá)到Z佳。因此，原子力顯微鏡中Z關(guān)鍵的技術(shù)就是高性能激光器的設(shè)計(jì)、對微弱力作用極其敏感的微懸臂的設(shè)計(jì)、為獲得高分辨率的非常尖細(xì)針尖的制備、精確掃描定位的壓電換能器和光電檢測技術(shù)的研究。

原子力顯微鏡的特點(diǎn)

　　1、高分辨力，原子力顯微鏡分辨力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過掃描電子顯微鏡，以及光學(xué)粗糙度儀。樣品表面的三維數(shù)據(jù)滿足了研究、生產(chǎn)、質(zhì)量檢驗(yàn)越來越微觀化的要求。

　　2、非破壞性，原子力顯微鏡探針與樣品表面相互作用力為10^-8N以下，遠(yuǎn)比以往觸針式粗糙度儀壓力小，因此不會損傷樣品，也不存在掃描電子顯微鏡的電子束損傷問題。另外掃描電子顯微鏡要求對不導(dǎo)電的樣品進(jìn)行鍍膜處理，而原子力顯微鏡則不需要。

　　3、應(yīng)用范圍廣，原子力顯微鏡可用于表面觀察、尺寸測定、表面粗糙測定、顆粒度解析、突起與凹坑的統(tǒng)計(jì)處理、成膜條件評價、保護(hù)層的尺寸臺階測定、層間絕緣膜的平整度評價、VCD涂層評價、定向薄膜的摩擦處理過程的評價、缺陷分析等。

　　4、軟件處理功能強(qiáng)，原子力顯微鏡三維圖象顯示其大小、視角、顯示色、光澤可以自由設(shè)定。并可選用網(wǎng)絡(luò)、等高線、線條顯示。圖象處理的宏管理，斷面的形狀與粗糙度解析，形貌解析等多種功能。