一． 引言
在當今的科學技術中，如何觀察、測量、分析尺寸小於可見光波長的物體，是乙個重要的研究方向。掃瞄隧道顯微鏡(stm) 使人們首次能夠真正實時地觀察到單個原子在物體表面的排列方式和與表面電子行為有關的物理、化學性質。 stm要求樣品表面能夠導電，從而使得stm只能直接觀察導體和半導體的表面結構。
為了克服stm 的不足之處，推出了原子力顯微鏡(afm)。afm是通過探針與被測樣品之間微弱的相互作用力(原子力) 來獲得物質表面形貌的資訊。因此，afm除導電樣品外，還能夠觀測非導電樣品的表面結構，且不需要用導電薄膜覆蓋,其應用領域將更為廣闊。
除物理，化學生物等領域外，afm在為微電子，微機械學，新型材料，醫學等領域有著廣泛的應用，以stm和afm為基礎，衍生出一系列的掃瞄探針顯微鏡，有雷射裡顯微鏡，磁力顯微鏡，掃瞄探針顯微鏡主要用於對物質表面在奈米線上進行成像和分析。
二． 原子力顯微鏡結構及工作原理
在原子力顯微鏡的系統中，可分成三個部分：力檢測部分、位置檢測部分、反饋系統，如圖1所示。
圖1（1）力檢測部分
在原子力顯微鏡系統中，所要檢測的力是原子與原子之間的范德華力。使用微懸臂來檢測原子之間力的變化量。如圖2所示，微懸臂通常由乙個一般100～500μm長和大約500nm～5μm厚的矽片或氮化矽片製成。
微懸臂頂端有乙個尖銳針尖，用來檢測樣品－針尖間的相互作用力。
圖2（2）位置檢測部分
在原子力顯微鏡系統中，當針尖與樣品之間有了作用之後，會使得懸臂擺動，所以當雷射照射在微懸臂的末端時，其反射光的位置也會因為懸臂擺動而有所改變，這就造成偏移量的產生。在整個系統中是依靠雷射光斑位置檢測器將偏移量記錄下並轉換成電的訊號，以供spm控制器作訊號處理。聚焦到微懸臂上面的雷射反射到雷射位置檢測器，通過對落在檢測器四個象限的光強進行計算，可以得到由於表面形貌引起的微懸臂形變數大小，從而得到樣品表面的不同資訊。
（3）反饋系統
在原子力顯微鏡系統中，將訊號經由雷射檢測器取入之後，在反饋系統中會將此訊號當作反饋訊號，作為內部的調整訊號，並驅使通常由壓電陶瓷製作的掃瞄器做適當的移動，以保持樣品與針尖保持一定的作用力。
原子力顯微鏡便是結合以上三個部分來將樣品的表面特性呈現出來的：在原子力顯微鏡系統中，使用微小懸臂來感測針尖與樣品之間的相互作用，這作用力會使微懸臂擺動，再利用雷射將光照射在懸臂的末端，當擺動形成時，會使反射光的位置改變而造成偏移量，此時雷射檢測器會記錄此偏移量，也會把此時的訊號給反饋系統，以利於系統做適當的調整，最後再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現出來。
三． 原子力顯微鏡的工作模式
根據探針與樣品之間距離的不同，原子力顯微鏡有可分為三種工作方式。即：接觸式，非接觸式和輕敲式。
本實驗採用接觸模式：
樣品掃瞄時，針尖始終同樣品「接觸」，即針尖-樣品距離在小於零點幾個奈米的斥力區域。此模式通常產生穩定、高分辨影象。當沿著樣品掃瞄時，由於表面的高低起伏使得針尖-樣品距離發生變化，引起它們之間作用力的變化，從而使懸臂形變發生改變。
當雷射束照射到微懸臂的背面，再反射到位置靈敏的光電檢測器時，檢測器不同象限會接收到同懸臂形變數成一定的比例關係的雷射強度差值。反饋迴路根據檢測器的訊號與預置值的差值，不斷調整針尖一樣品距離，並且保持針尖一樣品作用力不變，就可以得到表面形貌像。這種測量模式稱為恒力模式。
當已知樣品表面非常平滑時，可以讓針尖一樣品距離保持恆定，這時針尖一樣品作用力大小直接反映了表面的高低，這種方法稱恒高模式。本實驗採用恒力模式。
四． 實驗內容
（1）依次開啟：電腦-控制機箱-高壓電源-雷射器。
（2）用粗調旋鈕將樣品逼近微探針至兩者間距<1 mm。
（3）再用細調旋鈕使樣品逼近微探針：順時針旋細調旋鈕，直至光斑突然向psd移動。
（4）緩慢地逆時針調節細調旋鈕並觀察機箱上反饋讀數：z反饋訊號約穩定在－150至－250之間（不單調增減即可），就可以開始掃瞄樣品。
（5）讀數基本穩定後，開啟掃瞄軟體，開始掃瞄。
（6）掃瞄完畢後，逆時針轉動細調旋鈕退樣品，細調要退到底。再逆時針轉動粗調旋鈕退樣品，直至下方平台伸出1厘公尺左右。
（7）實驗完畢，依次關閉：雷射器-高壓電源-控制機箱
（8）處理影象，得到粗糙度
五． 實驗結果
1. a4紙樣品的表面形貌
引數影象大小： 400×400 象素
掃瞄範圍： x：4000 nm ； y：4000 nm
掃瞄時間： 100 s
亮度閾值： 1.00
z最大值： 1.70 v ； z最小值：1.54 v ； z平均值： 1.63 v
粗糙度 ra： 1.2 nm ； ry：12.9 nm ； rz： 12.9 nm
平面影象
三維影象
2. 導電ito樣品的表面形貌
引數影象大小： 400×400 象素
掃瞄範圍： x：4000 nm ； y：4000 nm
掃瞄時間： 100 s
亮度閾值： 1.00
z最大值： 1.71 v ； z最小值：1.51 v ； z平均值： 1.63 v
粗糙度 ra： 1.2 nm ； ry：20.8 nm ； rz： 20.8 nm
二維影象
三維影象
3. 銅金屬片樣品的表面形貌
引數影象大小： 400×400 象素
掃瞄範圍： x：4000 nm ； y：4000 nm
掃瞄時間： 100 s
亮度閾值： 1.00
z最大值： 1.81 v ； z最小值：1.46 v ； z平均值： 1.63 v
粗糙度 ra： 2.5 nm ； ry：65.8 nm ； rz： 65.8 nm
二維影象
三維影象
六． 實驗思考與討論
（1）afm探測到的原子力的由哪兩種主要成分組成？
一種是吸引力即范德瓦耳斯力；另一種是電子雲重疊而引起的排斥相互作用。
（2）怎樣使用afm，才能較好地保護探針？
仔細調節接觸距離，粗調時，緩慢擰動旋鈕，直到樣品距離探針1mm時換細調旋鈕，掃瞄過程中保證探針不產生破壞性形變。
（3）原子力顯微鏡有哪些應用？
原子力顯微鏡可以用於研究金屬和半導體的表面形貌、表面重構、表面電子態及動態過程,超導體表面結構和電子態層狀材料中的電荷密度等。
另外原子力顯微鏡在摩擦學中的有許多應用，如奈米摩擦、奈米潤滑、奈米磨損、奈米摩擦化學反應和機電奈米表面加工等。在生物上，原子顯微鏡可以用來研究生物巨集觀分子，甚至活的生物組織。觀察細胞等等。
（4）與傳統的光學顯微鏡、電子顯微鏡相比，掃瞄探針顯微鏡的分辨本領主要受什麼因素限制？
傳統的光學顯微鏡和電子顯微鏡存在衍射極限，即只能分辨光波長或電子波長以上線度的結構。而掃瞄探針顯微鏡的分辨本領主要取決於：探針針尖的尺寸；微懸臂的彈性係數，彈性係數越低，afm越靈敏；懸臂的長度和雷射光線的長度之比；探測器psd對光斑位置的靈敏度。
對於解析度一定的影象，掃瞄範圍越小，獲得的表面形貌越精細。
（5）要對懸臂的彎曲量進行精確測量，除了在afm中使用光槓杆這個方法外，還有哪些方法可以達到相同數量級的測量精度？
可採用電學方法：
隧道電流法——根據隧道電流對電極間距離非常敏感的原理，將sim用的針尖置於微懸臂的背面作為探測器，通過針尖與微懸臂間產生的隧道電流的變化就可以檢測由於原子間相互作用力令微懸臂產生的形變。
電容法——通過測量微懸臂與參考電極間的電容變化來檢測微懸臂產生的形變。
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