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原子力显微镜的原理

原子力显微镜可以说是研究纳米尺度样品的最通用,最强大的显微镜技术。原子力显微镜的多功能性主要体现在它不仅可以在三维形貌中成像,还可以满足科学家和工程师的需求,提供各种类型的表面测量。AFM能够以原子级分辨率生成具有埃量级高精度信息的图像。

那么,原子力显微镜的工作原理是怎样的呢?在此页面中,我们通过易于理解的视频动画向您介绍AFM的原理。

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原子力显微镜的原理

纳米世界
纳米,源自希腊语中“微小的”一词,相当于任何尺度乘以10-9。所以, 一纳米就是十亿分之一米。在这个尺度里,人们才开始考虑分子间作用力和量子效应。为了更好的理解纳米尺度,请想象一下原子相对于苹果的大小,同时也是苹果对于地球的大小。原子力显微镜(AFMs)给了我们打开了一扇通往纳米世界的窗户。

原子力显微镜的原理
- 表面传感
原子力显微镜运用悬臂末端锐利的针尖来扫描样品表面。当探针接近样品表面时,样品与针尖之间的短程吸引力吸引针尖向表面移动。然而,当表面和针尖直接接触时,排斥力将会增大并占主导作用使悬臂向上弯曲。

- 检测方法
激光束被用于检测悬臂是靠近还是远离表面。入射光束被悬臂平顶上表面反射到位敏光电二极管(PSPD)中,用来检测悬臂弯曲所导致的反射光束位置的轻微改变。当针尖通过凸起的表面形态形貌时,悬臂的弯曲和相应的反射激光束的变化都会被PSPD记录下来。

- 成像
原子力显微镜通过运用悬臂对特定区域的扫描来完成样品表面形貌成像。位敏光电二极管检测样品表面高低起伏的形貌所导致的悬臂弯曲,并通过反馈回路控制针尖在表面的高度来稳定激光位置,最终可以形成一幅精确的表面形貌像。

原子力显微镜的基本原理和工作模式