原子力顯微鏡的概念、應用學科、結構、優(yōu)缺點

來源：北京中顯恒業(yè)儀器儀表有限公司 2013年01月21日 15:55

中文名稱：

原子力顯微鏡

英文名稱：

atomic force microscope

定義：

根據掃描隧道顯微鏡的原理設計的高速拍攝三維圖像的顯微鏡。可觀察大分子在體內的活動變化。

應用學科：

細胞生物學（一級學科）；細胞生物學技術（二級學科）

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope ，AFM），一種可用來研究包括絕緣體在內的固體材料表面結構的分析儀器。它通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質的表面結構及性質。將一對微弱力敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發(fā)生形變或運動狀態(tài)發(fā)生變化。掃描樣品時，利用傳感器檢測這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級分辨率獲得表面結構信息。

優(yōu)點

原子力顯微鏡觀察到的圖像

相對于掃描電子顯微鏡，原子力顯微鏡具有許多優(yōu)點。不同于電子顯微鏡只能提供二維圖像，AFM提供真正的三維表面圖。同時，AFM不需要對樣品的任何特殊處理，如鍍銅或碳，這種處理對樣品會造成不可逆轉的傷害。第三，電子顯微鏡需要運行在高真空條件下，原子力顯微鏡在常壓下甚至在液體環(huán)境下都可以良好工作。這樣可以用來研究生物宏觀分子，甚至活的生物組織。

缺點

和掃描電子顯微鏡（SEM）相比，AFM的缺點在于成像范圍太小，速度慢，受探頭的影響太大。原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope）是繼掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope）之后發(fā)明的一種具有原子級高分辨的新型儀器，可以在大氣和液體環(huán)境下對各種材料和樣品進行納米區(qū)域的物理性質包括形貌進行探測，或者直接進行納米操縱；現(xiàn)已廣泛應用于半導體、納米功能材料、生物、化工、食品、醫(yī)藥研究和科研院所各種納米相關學科的研究實驗等領域中，成為納米科學研究的基本工具。原子力顯微鏡與掃描隧道顯微鏡相比，由于能觀測非導電樣品，因此具有更為廣泛的適用性。當前在科學研究和工業(yè)界廣泛使用的掃描力顯微鏡（Scanning Force Microscope），其基礎就是原子力顯微鏡。

儀器結構：

在原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，AFM）的系統(tǒng)中，可分成三個部分：力檢測部分、位置檢測部分、反饋系統(tǒng)。

力檢測部分

在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，所要檢測的力是原子與原子之間的范德華力。所以在本系統(tǒng)中是使用微小懸臂（cantilever）來檢測原子之間力的變化量。微懸臂通常由一個一般100~500μm長和大約500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微懸臂頂端有一個尖銳針尖，用來檢測樣品－針尖間的相互作用力。這微小懸臂有一定的規(guī)格，例如：長度、寬度、彈性系數以及針尖的形狀，而這些規(guī)格的選擇是依照樣品的特性，以及操作模式的不同，而選擇不同類型的探針。

位置檢測部分

原子力顯微鏡

在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，當針尖與樣品之間有了交互作用之后，會使得懸臂cantilever擺動，所以當激光照射在微懸臂的末端時，其反射光的位置也會因為懸臂擺動而有所改變，這就造成偏移量的產生。在整個系統(tǒng)中是依靠激光光斑位置檢測器將偏移量記錄下并轉換成電的信號，以供SPM控制器作信號處理。

反饋系統(tǒng)

在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，將信號經由激光檢測器取入之后，在反饋系統(tǒng)中會將此信號當作反饋信號，作為內部的調整信號，并驅使通常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當的移動，以保持樣品與針尖保持一定的作用力。

總結

AFM系統(tǒng)使用壓電陶瓷管制作的掃描器控制微小的掃描移動。壓電陶瓷是一種性能奇特的材料，當在壓電陶瓷對稱的兩個端面加上電壓時，壓電陶瓷會按特定的方向伸長或縮短。而伸長或縮短的尺寸與所加的電壓的大小成線性關系。也就是說，可以通過改變電壓來控制壓電陶瓷的微小伸縮。通常把三個分別代表X，Y，Z方向的壓電陶瓷塊組成三角架的形狀，通過控制X，Y方向伸縮達到驅動探針在樣品表面掃描的目的；通過控制Z方向壓電陶瓷的伸縮達到控制探針與樣品之間距離的目的。

原子力顯微鏡（AFM）便是結合以上三個部分來將樣品的表面特性呈現(xiàn)出來的：在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，使用微小懸臂（cantilever）來感測針尖與樣品之間的相互作用，這作用力會使微懸臂擺動，再利用激光將光照射在懸臂的末端，當擺動形成時，會使反射光的位置改變而造成偏移量，此時激光檢測器會記錄此偏移量，也會把此時的信號給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當的調整，zui后再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現(xiàn)出來。

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