对原子力显微镜的进一步探索陈智健0519022摘要：介绍了AFM的.DOC

对原子力显微镜的进一步探索 陈智健 0519022 摘要：介绍了AFM的研制，工作原理，工作模式及对实验的几点改进，最后介绍了AFM的应用前景。 关键词：原子力显微镜（AFM）；力传感器；工作模式；装针；P-GAIN,I-GAIN;SETPOINT. 引言 1981年，Binnig和Rohrer等利用隧道效应研制出了第一台扫描隧道显微镜（STM），1986年，Binnig通过改进STM研制出第一台原子力显微镜AFM，正式进入第三代显微镜的发展阶段。 我们知道，显微镜有很高的分辨本领和放大倍数，是研究物质结构的有力工具。最早的显微镜出现在16世纪末，应用于科学研究则在17世纪初期，显微镜的发明大大扩充了人类的视野，把人类的视野从宏观引入到微观，特别在医学界上给了极大的帮助，直接导致了19世纪细胞学、微生物学等学科的建立。 在这学期做完原子力显微镜的实验后，感觉对其了解还是不够深入，于是，借这次实验论文的机会，对AFM做了进一步深入的研究。 显微镜的发展历程： 第一代——光学显微镜； 第二代——电子显微镜（电镜）； 第三代——扫描隧道显微镜与原子力显微镜 第一代显微镜——光学显微镜：17世纪末，荷兰人列文虎克(Leeuwenhoek, Antoni van 1632 - 1723)研制成功了第一台光学显微镜，把人们带进了一个五彩缤纷的微观世界。但由于光波的性质，光学显微镜的分辨能力非常有限，光的衍射使尺寸小于光波长一半的物体的细节变得模糊不清。可见光的最短波长为400nm，光学显微镜最小可分辨的两点间距不会小于200nm，这就是光学显微镜的观察极限。 第二代显微镜——电子显微镜：1924年法国物理学德布罗意（DeBroglie, Louis victor 1892 – 1987）指出，微观粒子除了具有粒子性外，还具有波动性，并且能量越大，波长越短，由此科学家便把目光投向了电子。如果能用高能电子束代替光束，而电子束的波长远小于光束的波长，那么就可以大大提高显微镜的分辨力。在20世纪20年代末，鲁斯卡（Ruska, Ernst）经过多次实验探索，利用电磁场控制电子束的运动方向，将通过样品，带有样品微观结构信息的电子束再打到荧光屏或照相底片上，形成分辨率极高的图像。终于在1933年研制成功世界上第一台电子显微镜，开创了人类研究微观世界的新纪元。但电子显微镜依旧存在着很多不足，高速电子容易透入物质深处，低速电子又容易被样品的电磁场偏折，故电子显微镜很少能对表面结构有所揭示，表面物理的迅速发展又急需一种能够观测物质表面结构的显微技术，因此80年代诞生了第三代显微镜。 第三代显微镜——扫描隧道显微镜与原子力显微镜：扫描隧道显微镜的出现，使人类能够实时观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。原子力显微镜（AFM）是继扫描隧道显微镜之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器。由于原子力显微镜能观测非导电样品，而且能直接观察物体表面原子结构而不会对样品表面造成任何损伤，因此具有极为广泛的实用性，被应用于表面科学、材料科学、生命科学等领域。 光学显微镜和电子显微镜都被称为远场显微镜，相对来说，离成像系统有比较远的距离。 AFM工作原理 最早期的AFM成像原理是基于STM的，如下图所示： 将一个对微弱力极其敏感的微悬臂的一端与压电陶瓷1固定在一起，另一端有一微笑针尖，当针尖与样品轻轻接触时，其间存在极其微弱的排斥力（10nN--1μN），通过扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面的原子间作用力的等势面在垂直于样品表面的方向起伏运动，在微悬臂针尖的上方有一个STM的装置，利用隧道电流检测法可测得微悬臂对应于各扫描点的位置变化，从而获得样品表面形貌的信息。除此之外，还可以利用电学检测法或光学检测法，对微悬臂的形变进行检测。 电学检测法 光学检测法 我们实验室的仪器采用的是光学检测法。这是利用光束对其光程或方向的敏感性，通过测量激光束在微悬臂背面的反射来测量其运动，如图所示： 一束激光经微悬臂背部反射到一个位置灵敏探测器上，当微悬臂弯曲时，激光束在探测器上的位置将发生移动，探测器本身可测量光点小至1nm位移，微悬臂位移的放大倍数为悬臂至探测器的距离与悬臂长度之比。通常系统可探测针尖在垂直方向上小于0.1nm的位移，这种方法叫做偏转探测法。 与电学检测法相比，光学法有一些独特的优点： 激光束束斑的直径为几个微米，这使其反射信号受微悬臂背面粗糙度的影响较小，从而降低了仪器对热飘移的敏感程度； 微悬臂背面的污染对光信号影响较小，对隧道电流的影响则相当严重；