今天為大家解析原子力顯微鏡的核心部件。我們都知道AFM原子力顯微鏡的發(fā)明，使樣品不再局限于導電樣品,讓科研人員能夠觀測非導電樣品的表面結(jié)構(gòu),且不需要用導電薄膜覆蓋,其應用領域更為廣闊。而原子力顯微鏡的核心部件是力的傳感器件,包括微懸臂和固定于其一端的針尖。微懸臂和針尖在原子力顯微鏡中起到了重中之重的作用，它們是決定AFM原子力顯微鏡靈敏度的核心。
在科研實驗中，為了得到更真實更高分辨率的樣品表面形貌，就要提高原子力顯微鏡的靈敏度，使AFM原子力顯微鏡能夠準確地接收到針尖與樣品表面之間微弱的相互作用力的變化，微懸臂的設計就要滿足以下條件:
①原子力顯微鏡使很小的力就可以產(chǎn)生可觀測的位移，所以微懸臂要擁有較低的力學彈性系數(shù);
②較高的力學共振頻率;
③針尖與樣品表面的摩擦不會使它發(fā)生彎曲，所以要擁有高的橫向剛性;
④微懸臂長度盡可能短;
⑤微懸臂帶有能夠通過光學、電容或隧道電流方法檢測其動態(tài)位移的鏡子或電極;
⑥針尖盡可能尖銳，末端的直徑一般只有十幾個納米。
微懸臂和針尖的不斷改進發(fā)展的過程，實際上是促進了AFM原子力顯微鏡的發(fā)展。一般原子力顯微鏡的微懸臂采用硅、氧化硅及氮化硅。但近年來,日、美等國相繼展開了把壓電微懸臂代替普通微懸臂用于AFM原子力顯微鏡的研究,取得了很好的效果。
總的來說,原子力顯微鏡的工作原理就是將探針裝在一彈性微懸臂的一端,微懸臂的另一端固定,當探針在樣品表面掃描時,探針與樣品表面原子間的排斥力會使得微懸臂輕微變形,這樣微懸臂的微小變形就可以作為探針和樣品間排斥力的直接量度。一束激光經(jīng)微懸臂的背面反射到光電檢測器,可以測量微懸臂的微小變形,這樣就實現(xiàn)了通過檢測樣品與探針之間的原子排斥力來反映樣品表面形貌和其他表面結(jié)構(gòu)。
再來介紹下AFM原子力顯微鏡的3種工作模式:
①接觸模式：有分辨率高的特點,但是容易“刮傷”被測樣品表面,且還會因為探針與樣品表面產(chǎn)生的粘滯力造成一定的圖像失真;
②非接觸模式：避免接觸式的缺點,但由于探針和樣品間不接觸，所以探針與樣品表面距離較大、作用力太小,造成分辨率降低,還帶來因表面張力干涉而造成圖像變形的可能性;
③輕敲模式，是新發(fā)明的一種較為先進的模式,它是采取探針垂直樣品表面高頻振動,交替地讓針尖與樣品表面“接觸”和“抬高”。這種交替通常每秒鐘5萬～50萬次。這種模式結(jié)合了上述兩種模式的優(yōu)點,既不損壞樣品表面又有較高的分辨率。是現(xiàn)在比較推崇的一種方式。