深度介绍下AFM原子力显微镜的核心部件

 新闻资讯     |      2022-04-18 16:52:58

今天为大家解析AFM原子力显微镜的核心部件。我们都知道AFM原子力显微镜的发明,使的样品不再局限于导电样品,让科研人员能够观测非导电样品的表面结构,且不需要用导电薄膜覆盖,其应用领域更为广阔。

而AFM原子力显微镜的核心部件是力的传感器件,包括微悬臂(Cantilever)和固定于其一端的针尖。

微悬臂和针尖在原子力显微镜中起到了重中之重的作用,它们是决定AFM原子力显微镜灵敏度的核心。

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在科研实验中,为了得到更真实更高分辨率的样品表面形貌,就要提高原子力显微镜的灵敏度,使AFM能够准确地接收到针尖与样品表面之间微弱的相互作用力的变化,微悬臂的设计就要满足以下条件:

(1) AFM使很小的力就可以产生可观测的位移,所以微悬臂要拥有较低的力学弹性系数;

(2) 较高的力学共振频率;

(3) 针尖与样品表面的摩擦不会使它发生弯曲,所以要拥有高的横向刚性;

(4) 微悬臂长度尽可能短;

(5) 微悬臂带有能够通过光学、电容或隧道电流方法检测其动态位移的镜子或电极;

(6) 针尖尽可能尖锐,*末端的直径一般只有十几个纳米。

微悬臂和针尖的不断改进发展的过程,实际上是促进了AFM原子力显微镜的发展。一般AFM的微悬臂采用硅、氧化硅及氮化硅(Si3N4)。但近年来,日、美等国相继展开了把压电微悬臂代替普通微悬臂用于AFM的研究,取得了很好的效果。

总的来说,原子力显微镜工作原理就是将探针装在一弹性微悬臂的一端,微悬臂的另一端固定,当探针在样品表面扫描时,探针与样品表面原子间的排斥力会使得微悬臂轻微变形,这样微悬臂的微小变形就可以作为探针和样品间排斥力的直接量度。一束激光经微悬臂的背面反射到光电检测器,可以精确测量微悬臂的微小变形,这样就实现了通过检测样品与探针之间的原子排斥力来反映样品表面形貌和其他表面结构。

再来介绍下AFM的3种工作模式:

1. 接触模式:有分辨率高的特点,但是容易“刮伤”被测样品表面,且且还会因为探针与样品表面产生的粘滞力造成一定的图像失真;

2. 非接触模式:避免接触式的缺点,但由于探针和样品间不接触,所以探针与样品表面距离较大、作用力太小,造成分辨率降低,还带来因表面张力干涉而造成图像变形的可能性;

3. 轻敲模式,是新发明的一种较为先进的模式,它是采取探针垂直样品表面高频振动,交替地让针尖与样品表面“接触”和“抬高”。这种交替通常每秒钟5万~50万次。这种模式结合了上述两种模式的优点,既不损坏样品表面又有较高的分辨率。是现在比较推崇的一种方式。