原子力显微镜AFM的基本工作原理

原子力显微镜基本原理(Atomic Force Microscpoic：AFM)

AFM简介

纳米技术(Nanotechnology) 是指在纳米尺度(1nm到10nm之间)上研究物质(包括原子及分子的操纵) 的特性和相互作用，目标是利用原子、分子及物质在纳米尺度上所表现出来的物理、化学及生物学的特性，製造出具有特定功能的产品。

而为了要製造与量测纳米元件或结构目前应用Zui多的即是扫描式探针显微镜，扫描探针显微镜Zui初是对量子力学中真空穿隧现象(vacuum tunneling)的研究开始，因此第一台真正达到原子解析度的扫描探针显微镜，是Binnig与Rohrer于1982年利用PZT进行微位移扫描，同时测量真空穿隧电流的大小而完成，其基本成像原理如图2-1所示，乃是利用一支极小的探针去感应试片的物理场变化情况而描绘出试片表面的轮廓与形貌(3D Mapping) ，而利用不同物理场所描绘成的不同图像，就可应用于不同研究领域，所以至今由扫描式探针显微术为核心所发展的技术不断的推陈出新，这也让它成为纳米科技发展时不可缺少的重要仪器。

图2-1扫描探针显微镜基本成像原理[1]

扫描探针显微技术（Scanning Probe Microscopy：SPM）系指具有『扫描机制与动作』及『微细探针机制』的显微技术；而原子力显微镜（1986年诞生）为扫描探针显微技术（SPM）的代表仪器，其在科学上的应用已非侷限于纳米尺度表面影像的量测，更广为应用于探索纳米尺度下，微观的物性（光、力、电、磁）量测，对纳米科技有直接的助益。AFM是由Binnig等人于1986年所发明的，具有原子级解像能力，可应用于多种材料表面检测，并能在真空、气体或液体环境中操作(图2-2)。AFM之探针一般由成份为Si或Si3N4悬臂梁及针尖所组成，针尖尖端直径介于20至100nm之间。主要原理系藉由针尖与试片间的原子作用力，使悬臂梁产生微细位移，以测得表面结构形状，其中Zui常用的距离控制方式为光束偏折技术。AFM操作模式可区分为接触式（contact）、非接触式（non-contact）及间歇接触式（或称为轻敲式，intermittent contact or tapping）三大类，不过若要获得真正原子解析度，必须以非接触式的操作模式在真空环境下方能得到。目前原子力显微镜（AFM）的应用范围十分广泛，包括表面形貌量测、粗糙度分析及生医样品检测等。

 图2-2 原子与原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离的不同而有所不同，其之间的能量表示也会不同
 
而扫描式探针显微镜在量测时利用探针与样品表面间各种不同型式的交互作用，诸如凡得瓦力、静电力、静磁力、表面阻力等不同物理场，因而发展出原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)，静电力显微镜，(Electric Force Microscope, EFM)，磁力显微镜(Magnetic Force Microscope, MFM)、侧向力显微镜(Later Force Microscope, LFM)….等。其侦测之物理量与皆析度和仪器名称如表2-1所示。本文逐一介绍如后。

表2-1 SPM家族[1]