原子力顯微鏡的基本原理

    STM只能在導(dǎo)電材料的樣品表面上分辨出單個(gè)的原子并得到原子結(jié)構(gòu)的三維圖像。對(duì)于非導(dǎo)電材料，STM將無(wú)能為力，應(yīng)用受到了限制。為了彌補(bǔ)STM的不足，分辨絕緣表面上的單個(gè)原子，1986年，Binnig，Quate和Gerber發(fā)明了原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，AFM）^[1]。AFM是一種類(lèi)似于STM的顯微技術(shù)，它的許多元件與STM是共同的，如用于三維掃描的壓電陶瓷系統(tǒng)以及反饋控制器等。它與STM主要不同點(diǎn)是用一個(gè)對(duì)微弱力極其敏感的易彎曲的微懸臂針尖（Cantilever）代替了STM的隧道針尖，并以探測(cè)懸臂的微小偏轉(zhuǎn)代替了STM中的探測(cè)微小隧道電流。正是因?yàn)?/span>AFM工作時(shí)不需要探測(cè)隧道電流，所以它可以用于分辨包括絕緣體在內(nèi)的各種材料表面上的單個(gè)原子，其應(yīng)用范圍無(wú)疑比STM更廣闊。但從分辨率來(lái)看，AFM要比STM略微低些。

    AFM的工作原理如圖3-1所示。對(duì)微弱力極其敏感的微懸臂一端則有一微小的針尖。AFM在圖像掃描時(shí)，針尖與樣品表面輕輕接觸，而針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力（10^-8~10^-6N（牛頓）），會(huì)使得懸臂產(chǎn)生的微小偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)被檢測(cè)出并用作反饋來(lái)保持力的恒定，就可以獲得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的圖像。各種形式的AFM的區(qū)別主要在微懸臂偏轉(zhuǎn)的檢測(cè)方式上，通常有隧道電流檢測(cè)法，光學(xué)檢測(cè)法和電容測(cè)量法。