原子力显微镜常见问题

　　原子力显微镜利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力，从而达到检测的目的，具有原子级的分辨率。在微电子学、微机械学、新型材料、医学等领域都有着广泛的应用。

原子力显微镜是什么

　　原子力显微镜是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。

　　原子力显微镜扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。它主要由带针尖的微悬臂、微悬臂运动检测装置、监控其运动的反馈回路、使样品进行扫描的压电陶瓷扫描器件、计算机控制的图像采集、显示及处理系统组成。微悬臂运动可用如隧道电流检测等电学方法或光束偏转法、干涉法等光学方法检测，当针尖与样品充分接近相互之间存在短程相互斥力时，检测该斥力可获得表面原子级分辨图像，一般情况下分辨率也在纳米级水平。原子力显微镜测量对样品无特殊要求，可测量固体表面、吸附体系等。

原子力显微镜的常见问题

　　1、原子力显微镜探测到的原子力的由哪两种主要成分组成?

　　原子力显微镜探针与样品表面原子之间存在多种作用力，其中包括范德瓦耳斯力、排斥力、静电力、形变力、磁力、化学作用力等。原子力显微镜使用时，会消除出来范德瓦耳斯力以及排斥力之外作用力的影响;再加上，除了以上两种力之外，其他力本身也相对较小。

　　因此，原子力显微镜探测到的原子力主要由范德瓦尔斯力以及排斥力组成。其中范德瓦耳斯力为吸引力，排斥力的本质为原子电子云之间的相互作用，其本质为一种量子效应。

　　2、怎样使用原子力显微镜，才能较好地保护探针?

　　探针价格较为昂贵，操作可能损坏探针的时候应该缓慢、小心。在将样品靠近探针的过程中，先顺时针旋转粗调旋钮，在样品距离探针约为1mm的地方改用细调旋钮。调整细调旋钮的时候，观察控制机箱上的读数。

　　在这个过程中，始终注意观察，以免使得样品过于靠近探针，压坏探针。在测量过程中，注意扫描频率不要太快，以免损伤探针。原子力显微镜使用完后，必须先逆时针旋转细调旋钮，再逆时针旋转粗调旋钮，以取出样品，以避免对于探针的损伤。

　　3、原子力显微镜有哪些应用?

　　原子力显微镜可以在真空、超高真空、气体、溶液、电化学环境、常温和低温等环境下工作，因此具有较广的应用范围。

　　在物理学中，原子力显微镜可以用于研究金属和半导体的表面形貌、表面重构、表面电子态及其动态过程、超导体表面结构和电子态层状材料中的电荷密度等。

　　在生物学中，原子力显微镜可以应用于生物大分子的结构以及其他性质的研究，例如对于蛋白质、RNA、DNA，甚至细胞以及病毒的观察中。

　　另外，由于原子力显微镜具有可以间接测得力与间距关系的特性，因此，除了将它用于形貌观测方面，它还可以被用于测量原子间作用力上。

　　4、与传统的光学显微镜、电子显微镜相比，原子力显微镜的分辨本领主要受什么因素限制?

　　传统的光学显微镜的分辨本领受到光衍射极限的限制，其Z小分辨距离为其光波长的一半。电子显微镜的分辨本领同样受到衍射极限的限制，其Z小分辨本领为电子德布罗意波长的一半，因此电子显微镜可以达到比传统光学显微镜更高的分辨本领。

　　原子力显微镜的分辨本领主要取决于：探针针尖的尺寸;微悬臂的弹性系数，弹性系数越低，原子力显微镜越灵敏;悬臂的长度和激光光线的长度之比;探测器PSD对光斑位置的灵敏度。对于分辨率一定的图像，扫描范围越小，获得的表面形貌越精细。

　　5、要对悬臂的弯曲量进行精确测量，除了在原子力显微镜中使用光杠杆这个方法外，还有哪些方法可以达到相同数量级的测量精度?

　　对于悬臂弯曲的测量还可以采取电学方法，包括隧道电流法以及电容法。

　　隧道电流法根据隧道电流对电极间距离非常敏感的原理，将SIM用的针尖置于微悬臂的背面作为探测器，通过针尖与微悬臂间产生的隧道电流的变化就可以检测由于原子间相互作用力令微悬臂产生的形变。

　　电容法通过测量微悬臂与一参考电极间的电容变化来检测微悬臂产生的形变。