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【百科】原子力顯微鏡的組成、功能及使用方法

來源：北京瑞科中儀科技有限公司 2025年10月17日 13:21

　　原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，簡稱AFM)是一種高分辨的新型顯微儀器，廣泛應用于各個領域，包括半導體、納米功能材料、生物、化工、醫(yī)藥等研究領域中，成為科學研究中重要的工具之一。

原子力顯微鏡主要組成部分

　　一臺AFM通常由以下幾個核心部分構(gòu)成：

　　1、探針：

　　這是AFM的“手指”，通常由硅或氮化硅制成。

　　探針的末端非常尖銳，其針尖的曲率半徑通常在納米量級（幾個到幾十個納米），這是AFM能夠達到高分辨率的關鍵。

　　探針附著在一個微懸臂的末端。

　　2、微懸臂：

　　一個非常柔軟、有彈性的小彈簧片。

　　當針尖與樣品表面相互作用時，微懸臂會發(fā)生極其微小的彎曲或偏轉(zhuǎn)。作用力越大，偏轉(zhuǎn)越大。

　　3、檢測系統(tǒng)：

　　用于實時、精確地測量微懸臂的微小偏轉(zhuǎn)。常用的方法是光學杠桿法。

工作原理：一束激光從微懸臂的背面反射，照射到一個位置靈敏探測器上。當微懸臂彎曲時，反射光斑的位置會發(fā)生移動。探測器檢測到這個位移，并將其轉(zhuǎn)換成電信號。這個信號的變化直接反映了針尖與樣品之間作用力的變化。

　　4、掃描器：

　　一個由壓電陶瓷材料制成的精密移動平臺。壓電陶瓷具有電致伸縮效應，即施加電壓后，其長度會發(fā)生微小且精確的變化。

掃描器可以帶著樣品（或探針）在X、Y、Z三個方向上進行納米級精度的移動。

　　5、反饋控制系統(tǒng)：

　　這是AFM的大腦。它接收來自檢測器的信號（代表懸臂的偏轉(zhuǎn)），并將其與一個預設的設定值進行比較。

如果信號與設定值不同，反饋系統(tǒng)就會向Z方向的壓電陶瓷施加一個電壓，使其伸長或縮短，從而抬高或降低樣品（或探針），以維持懸臂的偏轉(zhuǎn)量恒定。

　　高分辨率：具有原子級別的識別能力，可以在多種環(huán)境下(空氣或者具有溶液的環(huán)境下)對各種材料和樣品進行納米級別的觀察與探測。

　　廣泛適用性：既可以觀察導體，也可以觀察非導體，從而彌補了掃描隧道顯微鏡的不足。

　　三維模擬顯示：可對樣品的形貌進行豐富的三維模擬顯示，使圖像更適合于人的直觀視覺。

　　粗糙度測量：可用于樣品表面微區(qū)高分辨的粗糙度測量，應用合適的數(shù)據(jù)分析軟件能得到測定區(qū)域內(nèi)粗糙度各表征參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果。

　　1.將待測樣品放置在一個平坦的基座上，并固定好，確保樣品表面干凈、光滑以及無塵等雜質(zhì)。

　　2.調(diào)整儀器參數(shù)，通過控制電壓和掃描速度等參數(shù)來獲得成像效果，這些參數(shù)需要根據(jù)具體實驗需求進行調(diào)節(jié)。

　　3.在試驗環(huán)境中建立合適的振動隔離系統(tǒng)，以降低外界震動對成像結(jié)果的影響。

　　4.選擇合適的探頭(probe)，探頭通常由硅或碳纖維制成，并且有不同形狀和尺寸可供選擇，根據(jù)所需解析度和測量目標選擇合適的探頭。

　　5.打開設備并啟動掃描程序，通過操縱機械臂將探針移至待測區(qū)域，并使其與樣品輕輕接觸。

　　6.在掃描過程中，原子力顯微鏡會記錄被測樣品表面頂部與探針間相互作用力變化情況，并轉(zhuǎn)換為圖像顯示出來。這些相互作用力包括吸引力、斥力、摩擦力等等。

　　7.在完成掃描之后關閉設備并保存數(shù)據(jù)，對于進一步分析或處理數(shù)據(jù)可以使用專門軟件進行操作。

以下是具體儀器圖，供參考：

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