原子力显微镜有哪几种工作模式?试述其工作原理。

Question

如题所述

Answer 1

【答案】：原子力显微镜有接触模式和轻敲模式，它们的工作原理分别为如下几冲。
1)接触模式
一个对力非常敏感的微悬臂一端固定，另一端有一个微小的探针，当探针轻微地接触样品表面时，由于针尖尖端原子与样品表面原子之间存在极微弱的排斥力(10^-8～10^-7N)，如果用压电陶瓷扫描控制器使针尖与样品表面之间产生相对扫描，则样品表面原子的高低起伏就会使微悬臂发生弯曲变形，形变量可用光杠杆或隧道电流方法进行检测，最终将形变信号转换成电信号，并反馈给扫描器的控制电路以改变扫描器的Z轴驱动电压，使扫描器在垂直方向上移动，从而调整针尖与样品之间的距离，使微悬臂弯曲的形变量在水平方向的扫描过程维持恒定，也就是使探针一样品之间的作用力保持恒定。在此反馈机制下，记录探针扫描样品表面的整个过程中扫描器Z轴驱动电压的变化，就可以推知样品的麦面形貌。
2)轻敲模式
用一个压电陶瓷元件驱动微悬臂振动，其振动频率恰好高于探针的最低机械共振频率(约50kHz)。由于探针的振动频率接近其共振频率，因此它能对驱动信号起放大作用。当把这种受迫振动的探针调节到样品表面附近(2～20nm)时，探针与样品之间会产生微弱的吸引力。在半导体和绝缘体材料上的这一吸引力，主要是凝聚在探针尖端与样品间的表面张力或范德华吸引力。虽然这种吸引力比在接触模式下记录到的原子之间的斥力要小1000倍，但这种吸引力电会使探针的共振频率降低，驱动频率和共振频率的差距增大。探针尖端的振幅减小。当探针经过表面隆起的部位时，这些地方吸引力增强，其振幅减小：而经过表面凹陷处时，其振幅增大。振幅的变化可以用光学或电学的方法检测出来。反馈系统根据振幅变化情况改变压电扫描器的z轴驱动电压，从而使振幅(也就是使探针与样品表面的间距)保持恒定。同接触式一样，用z轴驱动电压的变化来表征样品表面形貌。