原子力顯微鏡(AFM)用一個(gè)微小的探針來(lái)“摸索”微觀世界，它超越了光和電子波長(zhǎng)對(duì)顯微鏡分辨率的限制，在立體三維上觀察物質(zhì)的形貌，并能獲得探針與樣品相互作用的信息。原子力顯微鏡具有分辨率高、操作容易、樣品準(zhǔn)備簡(jiǎn)單、操作環(huán)境不受限制、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，原子力顯微鏡正在迅速應(yīng)用于科學(xué)研究的許多領(lǐng)域，并且取得了許多重大的科研成果。

原子力顯微鏡的工作原理

　　原子力顯微鏡是用一個(gè)一端裝有探針而另一端固定的彈性微懸臂來(lái)檢測(cè)樣品表面信息的。當(dāng)探針掃描樣品時(shí)，與樣品和探針距離有關(guān)的相互作用力作用在針尖上，使微懸臂發(fā)生形變。原子力顯微鏡系統(tǒng)就是通過(guò)檢測(cè)這個(gè)形變量，從而獲得樣品表面形貌及其他表面相關(guān)信息。

　　1、原子力作用機(jī)制

　　當(dāng)兩個(gè)物體的距離小到一定程度的時(shí)候，它們之間將會(huì)有原子力作用。這個(gè)力主要與針尖和樣品之間的距離有關(guān)。從對(duì)微懸臂形變的作用效果來(lái)分，可簡(jiǎn)單將其分為吸引力和排斥力，它們分別在不同的工作模式下、不同的作用距離起主導(dǎo)作用。探針與樣品的距離不同，作用力的大小也不相同。

　　2、原子力顯微鏡的成像原理

　　原子力顯微鏡的微懸臂綿薄而修長(zhǎng)，當(dāng)對(duì)樣品表面進(jìn)行掃描時(shí)，針尖與樣品之間力的作用會(huì)使微懸臂發(fā)生彈性形變，針尖碰到樣品表面時(shí)，很容易彈起和起伏，它非常的靈敏，極小的力的作用也能反應(yīng)出來(lái)。也就是說(shuō)如果檢測(cè)出這種形變，就可以知道針尖-樣品間的相互作用力，從而得知樣品的形貌。

　　微懸臂形變的檢測(cè)方法一般有電容、隧道電流、外差、自差、激光二極管反饋、偏振、偏轉(zhuǎn)方法。偏轉(zhuǎn)方法是采用Z多的方法，也是原子力顯微鏡批量生產(chǎn)所采用的方法。

原子力顯微鏡結(jié)構(gòu)

　　原子力顯微鏡系統(tǒng)可分成三個(gè)部分：力檢測(cè)部分、位置檢測(cè)部分、反饋系統(tǒng)。

　　原子力顯微鏡力檢測(cè)部分：

　　原子力顯微鏡使用微小懸臂可檢測(cè)原子之間的范德華力變化量。微懸臂通常由一個(gè)100～500um長(zhǎng)和0.5～5 um厚的硅片或氮化硅片制成，微懸臂頂端有一個(gè)尖銳針尖，用來(lái)檢測(cè)樣品與針尖間的相互作用力。微懸臂有一定的規(guī)格，如長(zhǎng)度、寬度、彈性系數(shù)以及針尖的形狀。實(shí)驗(yàn)中，依照樣品的特性、實(shí)驗(yàn)操作模式選擇不同規(guī)格的探針。

　　原子力顯微鏡位置檢測(cè)部分：

　　當(dāng)針尖與樣品之間有了相互作用之后，會(huì)使得微懸臂擺動(dòng)，照射在微懸臂的末端的激光束，其反射光的位置也會(huì)因?yàn)閼冶蹟[動(dòng)而有所改變，激光光斑位置檢測(cè)器將偏移量記錄下來(lái)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

　　原子力顯微鏡反饋系統(tǒng)：

　　在原子力顯微鏡反饋系統(tǒng)中會(huì)將電信號(hào)當(dāng)作反饋信號(hào)，驅(qū)使由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當(dāng)移動(dòng)，以保持樣品與針尖之間的作用力恒定。

　　原子力顯微鏡使用壓電陶瓷管制作的掃描器精確控制微小的掃描移動(dòng)。壓電陶瓷是一種性能奇特的材料，當(dāng)在壓電陶瓷對(duì)稱的兩個(gè)端面加上電壓時(shí)，壓電陶瓷會(huì)按特定的方向伸長(zhǎng)或縮短。而伸長(zhǎng)或縮短的尺寸與所加電壓的大小呈線性關(guān)系。也就是說(shuō)，可以通過(guò)改變電壓控制壓電陶瓷的微小伸縮。通常把三個(gè)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(guò)控制X、Y方向伸縮達(dá)到驅(qū)動(dòng)探針在樣品表面掃描的目的;通過(guò)控制Z方向壓電陶瓷的伸縮達(dá)到控制探針與樣品之間距離的目的。

　　原子力顯微鏡系統(tǒng)檢測(cè)成像全過(guò)程中，探針和被測(cè)樣品間的距離始終保持在納米量級(jí)，距離太大不能獲得樣品表面的信息，距離太小會(huì)損傷探針和被測(cè)樣品;反饋回路的作用就是在工作過(guò)程中，由探針得到探針與樣品相互作用的強(qiáng)度，來(lái)改變加在樣品掃描器垂直方向的電壓，從而使樣品伸縮，調(diào)節(jié)探針和被測(cè)樣品間的距離，反過(guò)來(lái)控制探針一樣品相互作用的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)反饋控制。因此，反饋控制是原子力顯微鏡的核心工作機(jī)制。