当前位置： 放大机 >> 放大机发展 >> 原子力显微镜的工作原理和应用
原子力显微镜(AFM)是一种先进的高分辨率扫描技术，用于详细分析样品。该技术可以将图像放大一亿倍以上。扫描分辨率可达埃级（10-10米）。
但AFM真正与众不同的一点是，扫描的物体可以作为D结构使用，可以实时旋转和观察。这有助于研究人员发现在常规二维扫描中可能丢失的隐藏信息。
在本文中，我们将仔细研究AFM。我们将讨论它的起源、构造、工作原理、操作模式、应用等等。
原子力显微镜的历史发展根据定义，显微镜是通过借助显微镜放大物体来研究物体。该技术有助于揭示肉眼无法看到的样本细节。
最早的显微镜技术（光学显微镜）利用了透镜的放大特性，已经存在了数百年。光学显微镜就像一个或多个短焦距的强力放大镜。这些显微镜可以很好地将样品放大到最多大约一千或几千倍。但对于更多的事情，我们必须求助于其他显微镜技术。
20世纪0年代，德国电气工程师ErnstRuska意识到光波长的限制使其无法解析分辨率超过10埃的物体。然后，鲁斯卡使用波长比光小得多的电子来建造一台显微镜，后来被称为电子显微镜（EM）。研究还得出结论，电场和磁场对电子的影响就像透镜对光的影响一样。
八十年代是纳米技术和显微镜学的关键十年。年，IBM苏黎世研究实验室的两位研究人员GerdBinnig和HeinrichRohrer发明了扫描隧道显微镜(STM)，提出了扫描探针显微镜(SPM)的概念。这是量子隧道效应首次得到实际证明。创建STM五年后，GergBinning和CalvinQuate开发了原子力显微镜(AFM)。
当第一台原子力显微镜发明时，发明人通过施加仅10-18N的力，成功地产生了10-4阿姆斯特朗的可测量位移。AFM的这种极高灵敏度使其成为研究各种原子力显微镜的技术。原子尺度上的表面。虽然该技术源自STM，但它与STM和SEM都有很大不同。
SEM只能在真空中进行，但可以使用液体、气体或真空来进行AFM。因此，除了具有更高的放大能力之外，AFM的主要优点也得到了体现。AFM适用于导电和非导电表面；另一方面，STM在任何不导电的表面上都会失败。除此之外，在测量表面硬度和摩擦力方面，AFM比其他显微技术更具优势。
AFM是如何工作的？AFM的工作原理非常简单。首先将需要观察的样品放置在载物台上。然后使尖端锋利的悬臂在表面上逐行通过，对样品进行光栅扫描。在扫描过程中，激光束落在涂有反射材料的尖端背面。激光束从闪亮的表面反射并落在光电探测器屏幕上。
当尖端遇到样品表面上的凸块或凹陷时，它会偏离其原始位置，导致激光束也移动。这种移动由光电探测器检测到并发送到高增益放大器电路。添加一些增益并将信号转换为可处理的实体后，放大器将其传递到计算机，整理整个扫描过程中接收到的信号，并最终提供表面的D轮廓。
影响AFM工作的力量现在让我们了解一下操作过程中作用在悬臂和尖端上的两个最重要的力。
范德华力/伦敦色散力：将两个或多个电中性体相互吸引的弱分子间电力称为范德华力或伦敦色散力。
力与物体之间的距离成反比。在这种情况下，观察的两个物体是样品和悬臂梁。
静电力：这些力由两个或多个带电体相互施加。对于带相同电荷的物体，该力是排斥力；对于带相反电荷的物体，该力是吸引力。
当悬臂梁的尖端远离物体表面时，范德华引力作用于其上，将其拉近。发生这种情况时，悬臂会向样品表面弯曲。
尖端垂直接近表面。一旦足够接近，实际上可以观察到静电排斥力的大小往往会变得更大并占主导地位。之前向表面弯曲的悬臂现在被推离表面。
这种排斥也是由于尖端无法穿透样品造成的。这种偏转的变化可以作为发现一些物理特性的基础，例如观察到的样品的刚性。
因此，除了扫描之外，AFM还可以用于测量样品作用在悬臂尖端上的力。悬臂尖端/探针的构造该设备的尖端是一个极其精致和锋利的头部，连接到类似探针的结构（也称为悬臂梁）。悬臂的另一端连接到压电晶体，压电晶体充当传感器，将悬臂的运动转换为电信号，反之亦然。
对于硬样品，使用硅(Si)悬臂梁；对于软样品，使用氮化硅(SiN4)。决定悬臂材料选择的因素是观察样品的弹簧常数。
悬臂的尺寸是在仔细考虑垂直和横向的弹簧常数要求后设定的。以下是悬臂设计过程中使用的公式：
当需要更高的精度时，可以借助电化学蚀刻、离子铣削甚至碳纳米管来磨尖探针尖端。这大大增加了显微镜的总体成本。但如果悬臂和尖端材料的选择不正确，扫描结果的质量将会很差。
通过不同方法锐化的探针；左：电化学蚀刻，中：离子铣削，右：碳纳米管
偏转灵敏度校准/弹簧常数校准弹簧常数的标定基于胡克定律。该定律建立了作用力、弹簧常数和悬臂挠度之间的关系。等式中的负号只是符号约定。这是胡克定律的方程：
调整悬臂的弹簧常数，使其对其将承受的力范围最敏感。
反馈机制为了确保整个过程中保持测量精度，在整个扫描过程中针尖与样品之间的相对距离必须在特定范围内。
其原因是，如果尖端和样品之间的间距较大，则力的强度会变得非常弱，以致噪声会超过信号。另一方面，如果针尖与样品之间的距离太小，则针尖会在表面上施加很大的力，这可能会对仪器或样品本身造成损坏。
为了解决这个问题，AFM装置中引入了反馈环路控制。比例积分微分(PID)控制方案用于跟踪和保持针尖与样品之间的分离。典型PID控制器的传递方程由下式给出：
在设备的制造和校准期间，分离/振荡频率的参考值存储在PID控制器中。使用时，测量分离/振荡的当前值并将其反馈给PID控制器，PID控制器记录并限制设定点与当前点之间的差异。
P和D项有利于大表面上的移动，I项则管理较小的区域。当P、I、D项的值设置正确时，误差最小。整个反馈系统可以借助运算放大器或数字电路来实现。
但问题仍然存在，操作过程中尖端与样品的相对位置是如何变化的？答案是，借助压电材料。压电材料能够根据施加的电势差而膨胀或收缩。非晶态钛酸铅钡(PdBaTiO)等材料会受到不断变化的电压的影响，以所需的方式控制其膨胀和收缩，从而移动悬臂或样品。
AFM模式AFM的操作模式大致可分为两类。
静态模式
在接触操作模式期间，悬臂的尖端实际上沿着观察下的样品的表面拖动。当需要以超过50纳米（50X10-9米）的分辨率研究硬表面时，可以使用接触模式。在此过程中进行的观察是AFM接触操作模式读数的基础。
静力模式：在静力操作模式下，测量悬臂的应变以感测表面的结构。该方法适用于使用AFM观察硬表面，但不适用于生物分子等柔软且粘性的样品。
横向力模式：在横向力/材料传感模式下，重点是研究表面的机械特性而不是成像。摩擦和粘合特性是可以用这种操作模式测量的两种机械力。
当尖端接触任何表面并在其上滑动时，会在运动方向上施加一定量的摩擦力。
该力负责使尖端在滑动时保持稍微倾斜。当样品的摩擦和粘合性能发生变化时，摩擦系数也会发生变化。这会导致力的不平衡并改变尖端的倾斜角度。
当针尖经过观察的样品时，其接触的表面的摩擦系数会恢复正常，并且针尖恢复其原始方向。
动态模式
在动态操作模式下，尖端在测量过程中振荡。它要么不接触样品，要么间歇性地接触样品。无论哪种方式，都确保交互是完全非破坏性的。
动态力模式（轻敲模式）：动态力模式是当今最流行和最常用的操作模式之一。悬臂梁以高频共振并靠近观察表面。
相位成像模式：相位成像模式是一种动态模式，其中尖端在样品表面上方/上方以固定/共振频率振荡。由于样品的某些特性（如粘附力），尖端无法根据输入信号立即向上或向下移动。
正弦波中的相移与幅移
在此过程中引入了一定量的滞后，从而延迟了尖端的运动。这种滞后/延迟会导致相移，测量相移可以提供有关我们正在测试样品的属性的信息。
场模式：AFM的另一个有趣的应用是测量样品表面的电磁场。
AFM装置的尖端涂有导电或磁性材料，分别用于测量样品的电性能和磁性能。当这些涂层放置在具有活跃电场/磁场的区域时会受到力，该力最终施加在尖端和悬臂上。
由于尖端上有额外的涂层，仪器的分辨率会受到影响，影响的程度取决于涂层的质量和厚度。
使用AFM测量电场和磁场：来源：[7]
如果振动频率固定，则当涂层尖端经过带电/磁性区域时，振动幅度会发生变化。测量过程中尖端与样品表面绝对不接触。高级成像模式的扫描方法根据所测量的特性和样品的性质，扫描所采用的方法可能不同。
单程法
在AFM的单程方法中，尖端与样品的距离保持恒定。该设置也称为恒定高度设置，用于获得快速读数。在扫描过程中，探头仅在表面上通过一次，这就是该方法被称为单次通过方法的原因。它可用于测量样品的表面特性或现场特性。
双通道法
如果要测量非接触力以及表面特性，则在通过AFM扫描样品时使用双通道操作模式。双通道方法与单通道方法之间的唯一区别在于，在双通道模式下，探头在一次扫描期间在表面上移动两次，第一次用于找出表面结构，第二次用于感测非表面结构。-接触力。
用于扫描样品形貌和场的双通道方法来源：[7]当探头与表面接触时，测量形貌；当它距表面固定距离时，它会测量磁场。
原子力显微镜应用AFM的应用不限于特定的研究领域。该技术通常用于研究物理科学、生命科学、电子和工程研究中的各种不同样品。
AFM用于研究表面纹理、缺陷、涂层和大量其他物理特征。该技术非常适合观察自然环境中的细胞和生物分子。AFM还可用于分析微电子电路和元件。使用AFM研究电池等储能材料和光伏电池等能源产生材料。摩擦学、表面化学、基因工程、医学是显微技术被用作观察和研究的重要工具的其他重要领域。
结论AFM的唯一主要缺点是扫描速度低且无法研究观察表面的化学性质。除此之外，该设备还是对样品进行详细研究的绝佳工具。
与其他技术一样，AFM曾经仅用于博士研究生研究尖端技术，如今已成为行业产品开发和质量控制中不可替代的工具。教育机构在课程中灌输最新技术方面也不甘落后。
显微镜不再局限于收集样品的原始2D图像。像原子力显微镜这样的设备将成为未来几年科学技术各学科研究的基础。随着计算技术的进步，显微镜本身正在成为完整的系统，可以可视化物体和过程。然而，显微镜中不会改变的一件事是光学的贡献。它将一如既往地继续成为显微镜技术的关键要素。
