原子力显微镜系统由哪些主要部件组成？

原子力显微镜（AFM）自 20 世纪 80 年代发明以来，已成为各科学领域纳米级成像和计量不可或缺的工具。原子力显微镜的核心是一系列精密组件，它们协同工作，获取高分辨率的拓扑图像。

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什么是原子力显微镜？
原子力显微镜（AFM）是一种多功能、功能强大的扫描探针显微镜，能够在原子尺度上对表面成像并测量物理性质、尺寸、磁性和表面粗糙度。

原子力显微镜利用压电定位器跟踪针尖与样品之间的微小力（皮牛顿），在样品表面扫描锋利的探针，生成高分辨率图像并进行精确测量。

原子力显微镜发明于 20 世纪 80 年代，其横向分辨率可低至几纳米，纵向分辨率可低于 35 皮米，从而能够绘制原子尺度的地形图并测量各种表面性质。

原子力显微镜的高分辨率、非破坏性、三维成像和原子操作能力使纳米级计量和表征技术在各个科学和技术领域取得了革命性的进步。

原子力显微镜系统的基本原理
原子力显微镜（AFM）系统的工作原理包括使用连接到悬臂上的尖锐探针扫描样品表面。探针的运动被检测和记录下来，从而生成表面的三维图像。

原子力显微镜的工作原理主要有三个：表面感应、检测和成像。

表面感应由悬臂实现，悬臂有一个锋利的尖端，可与样品表面相互作用。当针尖接近表面时，表面和针尖之间的范德华吸引力会导致悬臂向表面偏转。然而，随着针尖的接近和接触，斥力就会起作用，导致悬臂偏离表面。

检测是通过指向悬臂顶部的激光束来实现的。当悬臂偏向或偏离表面时，反射的激光束会发生轻微的方向变化。这些变化由位置敏感光电二极管 (PSPD) 监控，该二极管记录反射光束的偏转和变化。

成像包括将悬臂扫描到样品表面上感兴趣的特定区域。表面的隆起和凹陷特征会影响悬臂的偏转，而 PSPD 会检测到悬臂的偏转。原子力显微镜通过一个控制尖端在表面上方高度的反馈回路来保持激光位置的恒定，从而生成表面特征的精确地形图。

原子力显微镜系统的成像模式
原子力显微镜有三种成像模式：静态或接触模式、非接触模式和间歇（敲击）模式。

静态或接触模式
原子力显微镜的接触模式是指针尖与样品表面持续接触，从而进行表面成像。在接触过程中，范德华排斥力占主导地位，而当针尖远离样品表面时，范德华吸引力则占主导地位。

这种模式适用于粗糙和坚硬的表面，但对于柔软的样品必须小心谨慎，以避免变形或损坏。反馈系统可保持恒定的偏转和相互作用力，测量可在水环境中进行，以减小作用力。

攻丝模式
原子力显微镜的轻敲模式是在扫描过程中以共振频率摆动悬臂并轻敲样品表面。通过监测振荡幅度实现针尖与样品的持续互动，并通过高度、相位信号和振幅等参数影响图像采集和对比度。

轻敲模式适用于易碎样品，分辨率高于非接触模式，但扫描速度较慢，在液体环境中更具挑战性。

非接触模式
原子力显微镜的非接触模式是指探针在样品表面上方摆动而不发生物理接触。通过悬臂摆动频率的变化来检测针尖和表面之间微弱的吸引力。

这种模式表面力小，探针寿命长，但分辨率和对表面污染物的灵敏度较低。它通常需要严格的环境控制，例如在超高真空环境中运行。

原子力显微镜系统的主要组件
扫描探针： 悬臂和针尖
原子力显微镜中的扫描探针由微米级尺寸的悬臂和纳米级尺寸的针尖组成，悬臂是支撑探针的柔性梁，可使探针自由移动。

原子力显微镜探针的特性，包括长度、形状和材料（硅或氮化硅），决定了其性能特征，如刚度、柔性、分辨率和化学敏感性。

选择合适的探针特性可以优化原子力显微镜成像和测量，适用于特定的样品和实验。

传感器
原子力显微镜中悬臂的机械运动由机电传感器产生，通常使用压电陶瓷材料。压电材料在受到电场作用时会改变形状，这种运动的大小和方向决定了原子力显微镜的测量结果。

力传感器
原子力显微镜系统使用力传感器来测量探针与样品表面之间的微小力。悬臂的运动是通过光杠杆法检测到的，即光线从悬臂背面反射到光电探测器上，从而测量出悬臂的运动。

原子力显微镜的图像质量和操作在很大程度上依赖于这些力的相互作用，而这些力可以通过了解悬臂的刚度和使用胡克定律计算出来：

F = -kx

其中

F = 力

k = 悬臂刚度

x = 偏移距离

反馈回路控制
原子力显微镜的反馈回路控制包括使用激光偏转器来调节力的相互作用和探针位置。

激光束从悬臂反射到光电探测器，当针尖扫描表面时，激光光斑位置移动，反馈到 z 压电控制装置，实时调整针尖高度，保持所需的力。这种闭环反馈通过调节探针相对于样品拓扑结构的位置，实现精确跟踪和定量测量。

扫描平台
扫描平台是一个用于固定样品并方便样品相对于探头移动的平台。

它通常由铝等轻质坚硬材料制成，配备精密电机或压电致动器，能够对样品进行高精度、小增量的移动。

控制和数据采集系统
原子力显微镜的控制和数据采集系统使用计算机硬件和软件来指导探针和样品的定位，同时处理探测器信号以生成表面图和测量结果。

这种集中式计算机系统可协调仪器组件，并将原始数据转换成可用的图像和信息。

结束语
尽管原子力显微镜的扫描速度较慢，且存在成分检测方面的限制，但它仍然是纳米级成像和测量的宝贵而强大的工具。

原子力显微镜的多功能性和对各科学学科的影响使其从一种研究工具提升为工业中必不可少的产品开发和质量控制设备。

原子力显微镜彻底改变了纳米计量学，并将继续推动纳米研究和技术的进步。原子力显微镜凭借其强大的功能和不断的进步，在塑造原子尺度科学探索的未来方面拥有巨大的潜力。

参考资料

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