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原子力显微镜多模式成像技术与应用

一.引言

八十年代初,IBMZurich的Binnig和Rohrer发明了扫描隧道显微

镜(scanningTunnelingMicroscope,简称STM),其平行于表面的(横向)分

辨本领为一埃,而垂直于表面的(纵向)分辨本领优于一埃,可对物质表面原子扫

描成像,因此其发明人获得了1986年度的学奖。STM一出现,人们

就为它的所震撼,随后相类似的表面分析仪器如扫描力显微镜(Scanning

ForceMicroscope),磁力显微镜(icForceMicroscope)及近光学场显

微镜(ScanningNear-FieldOpticalMicroscope)等相继诞生,并在领

域迅速地发挥越来越大的作用,已形成扫描探针显微镜(ScanningProbe

Microscope,简称SPM)。它是继光学显微镜、电子显微镜的新一代探

测微观世界的有力。

其中,1986年由Binnig和Quate发明的原子力显微镜(AtomicForce

Microscope,简称AFM)是扫描探针显微镜中的重要成员。AFM按照其成像

模式和检测信号的不同,有多种不同的工作模式,适用于不同性质的材料样

品。由于AFM对样品没有导电性的要求,应用范围十分广泛,弥补了STM只能

观察导电样品的不足,可以检测绝缘样品的表面结构。

并且,相对于常规的原子级分辨仪器(如光衍射及低能电子衍射等),其优越性

还在于,第一,它能给出实空间的信息,而不是较难解释的K空间的信息;第

二,它可以对各种局域结构或非周期结构(如、生长等)进行研究,而不

只限制于晶体或周期结构。

除此之外,AFM不仅能提供样品形貌的三维实空间信息,而且还能在介观

尺度上对表面进行的局域加工并对加工产生的纳米结构进行各种研究。这些

前所未有的局域特性使AFM成为在表面科学、纳米科学、介观以及生物化

学上非常有价值的研究工具。

原子力显微镜(AFM)是集精密光学技术、精密机械、电子技术、信号处

理技术、图像处理技术、自动控制技术和计算机技术于一身的系统,代表了精

密仪器研制的最高水平。

我国原子力显微镜的研制与应用始于上世纪九十年代初,

的研究小组研制成功我国第一台原子力显微镜。在的指导下,钱建

研机构的。

图1本研究小组参与开发的商品化原子力显微镜

二.实验目的

1.掌握原子力显微镜的工作原理及使用方法;

2.了解原子力显微镜的结构;了解原子力显微镜的多模式成像技术;

3.利用原子力显微镜来测量待测样品纳米级的表面形貌。

三.原子力显微镜的工作原理

图2原子力显微镜的原理示意图

原子力显

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