AFM原子力显微镜扫描成像的原理介绍

 新闻资讯     |      2024-05-13 10:44:10

AFM(原子力显微镜)扫描成像的原理主要基于以下几个关键步骤和概念:

仪器组成:AFM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。

原子力显微镜.jpg

探针与样品间的相互作用:AFM的核心在于一个对微弱力极D敏感的微悬臂,其一D固定,另一D装有一个微小的针尖。当针尖与样品表面轻轻接触时,由于针尖尖D原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力(或其他如范德瓦尔斯力、磁力等),这种力会导致微悬臂发生形变或运动状态发生变化。

力的控制与检测:在扫描过程中,通过控制这种力的恒定(或按照某种规律变化),带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法(如激光检测法)或隧道电流检测法,可以测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化。

成像过程:通过计算机控制的图像采集、显示及处理系统,根据微悬臂的位置变化信息,可以构建出样品表面的形貌图像。这种图像通常以灰度图或彩色图的形式展示,其中不同的灰度或颜色代表不同的高度或深度,从而可以直观地展示样品表面的起伏和结构。

此外,AFM还具有一些特殊的工作模式,如接触模式、非接触模式和轻敲模式等。这些模式的选择取决于具体的实验需求和样品的性质。例如,在接触模式下,针尖始终与样品表面接触,可以获得较高的分辨率;而在非接触模式下,针尖与样品表面保持一定的距离,可以避免对样品的损伤。轻敲模式则是介于接触模式和非接触模式之间的一种工作模式,它利用微悬臂的振动来探测样品表面的信息,同时又能减少对样品的损伤。

总之,AFM通过检测探针与样品表面之间的微弱相互作用力来成像,具有原子级的分辨率和广泛的应用范围。