原子力显微镜（AFM）的操作原理

尽管扫描隧道显微镜取得了巨大成功，但显然STM具有基本缺点 - 只有STM，只能探讨导电或导电层涂层样品。

宾尼发明了原子力显微镜，克服了这一缺点。他是第一个猜测在与样品表面的相互作用下，具有尖锐尖端的宏观悬臂梁可以被原子力弯曲到足够大的量，从而可以用普通仪器测量。在第一实施例中，使用STM测量尖端位移(图1)。

图1．来自纸张宾格，Quate和Gerber的第一AFM的实验设置

对于悬臂注册弯曲，使用了许多方法，但目前主要有用和广泛使用的是Amer和Meyer（图2）发明的方法。根据它们，原子力显微镜包括安装在微机械悬臂上的尖端。当尖端扫描待研究的表面时，尖端与样品表面之间的外部力诱导尖端的位移和悬臂的相应弯曲。

图2。专利“原子力显微镜”的AFM示意图

激光束传递到悬臂上，从悬臂上反射以测量悬臂取向。用位置敏感检测器检测反射的激光束，优选地是双电池。BICell的输出被提供给计算机，用于处理具有以原子分辨率提供表面的地形图像的数据。

目前使用的位置敏感探测器是四节，不仅可以测量纵向，也可以测量扭转弯曲。

悬臂不仅可以通过尖端样品表面相互作用下的直接接触力，而且还通过远程力量：范德华，磁性，电动等。悬臂可以在扫描下振动，首先是由Binnig提出的。振动可以与样品表面直接接触尖端，而不会在振动下触摸振动和间歇接触（半区间）的表面。扫描可以多次通过，每个下一段通过都可以提供关于正在调查的样本的其他信息。

所有这些能力都产生了许多技术和SFM操作模式。下面我们将考虑各种直流和AC接触，半区，非接触和多功能技术和模式。

直流接触技术

在理想化的实验条件（例如，在超高速真空中）当悬臂尖接近样品表面范德瓦尔斯力开始作用。它们是足够远的远程，感觉到几十埃的距离。然后在几个埃的距离处，猛烈的力开始作用。

在实际条件下（在环境空气中）实际上总是在空气中呈现一些湿度，水层吸附在样品和尖端表面上。当悬臂接近样品表面时，毛细管力出现，使尖端与表面接触并增加最小可实现的相互作用力。

探针和样品之间的静电相互作用可能经常出现。这可能是相互吸引，也可能是相互排斥。范德华引力，毛细管，静电和斥力在尖端接触样品和来自变形悬臂作用在尖端的力在平衡中相互补偿。

在接触工作模式下，扫描下的悬臂挠度反映了排斥力，并以此作为反馈电路或它们的组合来想象样品表面轮廓。

同时在扫描下的地形采集可以想象研究了调查样品的其他一些特征。如果具有尖端的悬臂是导电的，则可以成像样品的膨胀电阻。如果扫描在垂直于悬臂纵向轴线（横向方向）的方向上进行摩擦力会导致悬臂扭转。通过使用位置敏感的四截面检测器测量这种扭曲，可以与地形同时想象在整个样品表面的摩擦力分布。

交流接触技巧

首先通过Binnig预期扫描力显微镜与振荡悬臂的使用。该振荡可以在非接触式，间歇接触（半接触）和触点（交流接触）模式中进行。

图3.．机械等同物包括横向和垂直尖端样品相互作用力。

AC接触模式的特点在于，同时与最近的样品表面的悬臂区域参与振荡。在该样品表面振荡不仅正常（外平面）而且横向和悬臂可以在更高的谐波中振荡。

悬臂振荡可以由扫描仪，Piezodriver，特殊换能器提供样品架下方的特殊换能器。尖端样品电力也可以兴奋悬臂振荡。因此，振荡的频率可以在几十kHz到几个MHz之间变化。

AC接触模式的测量与地形接触模式测量同时进行，并允许确定接触刚度，杨氏模块和其他样品参数。

半区状技巧

首先通过Binnig预期扫描力显微镜与振荡悬臂的使用。使用振荡悬臂扫描的早期实验性实现是在作品中的。它展示了力梯度对悬臂频移和非接触扫描样品表面的可能性的影响。还必须注意到，DURIG在STM尖端的影响下研究了摆动悬臂的频率偏移。

振荡频率随感应斥力的相对小位移意味着振荡时悬臂尖与样品表面的接触不是恒定的。只有在振荡周期的一小部分，尖端“感觉到”接触排斥力。特别是与振幅相对较高的振荡有关。以这种方式振荡的扫描样品表面不是非接触，而是间歇接触。扫描力显微镜操作的对应模式(间歇接触模式或半接触模式)是常见的做法。

“感受”扫描下的接触斥力导致悬臂振动相对于压电驱动器振动的额外相移。这种相移取决于材料的特性。扫描下的相移配准(相位对比成像模式)对于纳米结构和地相材料是非常有用的。欧洲杯足球竞彩与接触误差模式类似，半导体误差模式可用于在大面积上查找微小的不规则性。

与直流接触模式相比，半导体接触模式具有一些优点。首先，在这种模式下，悬臂对表面的压力较小，这使得工作更软，容易损坏的材料，如聚合物和生物有机物。欧洲杯足球竞彩半接触模式对与表面的相互作用也更为敏感，这为研究表面的一些特性提供了可能——磁畴和电畴的分布、表面的弹性和粘度。

图4.．半区状技巧

非接触技术

非接触AFM (NC AFM)，发明于1987年，提供了独特的优势，比其他当代扫描探针技术，如接触AFM和STM。在NC AFM中没有排反力(出现在接触AFM中)允许它在成像“软”样品中使用，不像STM, NC AFM不需要导电样品。

图5.．非接触技术

多功能技术

一般来说，多通道技术用于在该地形上获取数据以外的任务，必须消除不必要的副作用。作为例子，左侧图象线扫描通过单一磁畴为不同的初始尖端样品间距提出。类似的测量可以用于确定固体衬底上的液体薄膜的厚度，纳米操作(例如定位单个原子)，纳米蚀刻。

第一次通过可以在接触或频率调制(间歇接触，半接触)模式下进行。第二次测试可以测量电势、磁场、耗散、表面电容分布。在某些情况下，第三道工序是必要的，特别是为了消除地形和表面电场的影响。

图6.．提出了针对各种初始尖端样本间距的单个磁域的线扫描

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