原子力显微镜的基本原理

    STM只能在导电材料的样品表面上分辨出单个的原子并得到原子结构的三维图像。对于非导电材料，STM将无能为力，应用受到了限制。为了弥补STM的不足，分辨绝缘表面上的单个原子，1986年，Binnig，Quate和Gerber发明了原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）^[1]。AFM是一种类似于STM的显微技术，它的许多元件与STM是共同的，如用于三维扫描的压电陶瓷系统以及反馈控制器等。它与STM主要不同点是用一个对微弱力极其敏感的易弯曲的微悬臂针尖（Cantilever）代替了STM的隧道针尖，并以探测悬臂的微小偏转代替了STM中的探测微小隧道电流。正是因为AFM工作时不需要探测隧道电流，所以它可以用于分辨包括绝缘体在内的各种材料表面上的单个原子，其应用范围无疑比STM更广阔。但从分辨率来看，AFM要比STM略微低些。

    AFM的工作原理如图3-1所示。对微弱力极其敏感的微悬臂一端则有一微小的针尖。AFM在图像扫描时，针尖与样品表面轻轻接触，而针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力（10^-8~10^-6N（牛顿）），会使得悬臂产生的微小偏转。这种偏转被检测出并用作反馈来保持力的恒定，就可以获得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的图像。各种形式的AFM的区别主要在微悬臂偏转的检测方式上，通常有隧道电流检测法，光学检测法和电容测量法。