原子力顯微鏡對比于現有的其它顯微工具，以其高分辨、制樣簡單、操作易行等特點而備受關注，并在生命科學、材料科學等領域發(fā)揮了重大作用，極大地推動了納米科技的發(fā)展，促使人類進入了納米時代。

原子力顯微鏡的針尖技術

　　目前，一般的探針式表面形貌測量儀垂直分辨率已達到0.1nm，因此足以檢測出物質表面的微觀形貌。普通的原子力顯微鏡探針材料是硅、氧化硅或氮化硅(Si3N4)，其Z小曲率半徑可達10nm。由于可能存在“擴寬效應”，針尖技術的發(fā)展在原子力顯微鏡中非常重要。

　　探針針尖的幾何物理特性制約著針尖的敏感性及樣品圖像的空間分辨率。因此針尖技術的發(fā)展有賴于對針尖進行能動的、功能化的分子水平的設計。只有設計出更尖銳、更功能化的探針，改善原子力顯微鏡的力調制成像術和相位成像技術的成像環(huán)境，同時改進被測樣品的制備方法，才能真正地提高樣品表面形貌圖像的質量。

原子力顯微鏡針尖的作用

　　原子力顯微鏡雖然名字里有“顯微鏡”這三個字，卻并不像光學顯微鏡和電子顯微鏡那樣利用電磁波或者微觀粒子來“看”一個物體，而是通過一根小小的探針來間接地感知物體表面的結構。這根探針小到什么程度呢?探針主要部分是一個長約100微米，寬約20微米的條狀物，我們稱其為懸臂。在懸臂的末端是一個更小的尖狀物，Z末端的直徑一般只有十幾個納米，我們稱它為針尖。針尖和懸臂合起來構成了一個完整的原子力顯微鏡的探針，一般使用硅或者氮化硅作為材料?？梢哉f探針是原子力顯微鏡Z為關鍵的部件。

　　針尖和物體表面之間的作用力是十分微弱的，該如何有效測量它的大小呢?

　　由于針尖和懸臂是連在一起的，針尖受到的力會導致懸臂發(fā)生彎曲，受力越大，懸臂彎曲的越厲害。這樣，通過測量懸臂彎曲的程度，我們就可以知道針尖與物體表面之間的作用力的大小。但是懸臂由于受力而發(fā)生的彎曲依然很小，直接測量這么小的程度的彎曲并不現實。

　　原子力顯微鏡的fa明者巧妙地解決了這個難題。他們將一束激光投射到懸臂的上表面，激光被懸臂反射后又被檢測器接收。當懸臂沒有受力時，可以調節(jié)激光的位置使得反射之后的激光光束恰好到達檢測器的ZX并保持入射激光光束的位置不變。一旦懸臂由于受力而發(fā)生彎曲，經懸臂反射到達檢測器的激光必然會偏離檢測器的ZX。通過激光束的反射，懸臂的彎曲程度可以被放大1000倍，這樣我們就能夠準確地測量出懸臂的彎曲程度。

　　我們可以再給針尖-懸臂-激光光束的wan美組合配上一部精確控制的馬達，使得探針能夠以非常小的尺度在物體表面上移動，再加上必要的計算機軟件輔助，我們就能夠準確地探測到物體表面的微觀結構。

原子力顯微鏡中針尖與樣品之間的作用力

　　原子力顯微鏡檢測的是微懸臂的偏移量，而此偏移量取決于樣品與探針之間的相互作用力。其相互作用力主要是針尖Z后一個原子和樣品表面附近Z后一個原子之間的作用力。

　　當探針與樣品之間的距離d較大(大于5nm)時，它們之間的相互作用力表現為范德華力?？杉僭O針尖是球狀的，樣品表面是平面的，則范德華力隨1Pd2變化。如果探針與樣品表面相接觸或它們之間的間距d小于0.3nm，則探針與樣品之間的力表現為排斥力。這種排斥力與d13成反比變化，比范德華力隨d的變化大得多。探針與樣品之間的相互作用力約為10^-6~10^-9N，在如此小的力作用下，探針可以探測原子，而不損壞樣品表面的結構細節(jié)。

　　簡而言之，原子力顯微鏡的原理是：將一個對微弱力及其敏感的長為100-200微米的Si或Si3N4材料的微懸臂一端固定，另一端有一個針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸，針尖原子與樣品表面原子間的及其微弱的作用力，使微懸臂發(fā)生彎曲，通過檢測微懸臂背面反射出的紅色激光光點在一個光學檢測器上的位置的變化可以轉換成力的變化(被反射激光點位置變化或是微懸臂梁彎曲的變化與力的變化成正比)，通過控制針尖在掃描過程中作用力的恒定同時測量針尖縱向的位移量，從而Z終還原出樣品表面的形貌像。