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原子力显微镜实验报告

Zhang Chuheng

zhangchuheng123@live.com

2015年10月14日

1 引言

在当今的科学技术中，如何观察、测量、分析尺寸小于可见光波长的物体，是一个重

要的研究方向。1982年，G. Binning 和 H. Rohrer 在IBM公司苏黎世实验室共同研制成

功了第一台扫描隧道显微镜（STM），使人们首次能够真正实时观察到单个原子在物体表

面的排列方式和与表面电子行为有关的物理、化学性质。1986年，他们被授予诺贝尔物理

学奖。但STM要求样品表面能够导电，从而使得STM只能直接观察导体和半导体的表面结

构。为了克服STM的不足之处，Binning、Quate和Gerber决定用微悬臂作为力信号的传播

媒介，把微悬臂放在样品和STM的针尖之间，于1968年推出了原子力显微镜（AFM），AFM

是通过探针与被测样品之间微弱的相互作用力来获得物质表面形貌的信息，因此，AFM除

了导电样品外，还能够观察非导电样品的表面结构，其应用领域更为广泛。除了物理、化

学、生物等领域之外，AFM还在微电子学、微机械学、新型材料、医学领域都有着广泛的

应用。以STM和AFM为基础，衍生出了一系列的扫描探针显微镜（SPM）、有激光力显微镜

（LFM）、磁力显微镜（MFM）等。扫面探针显微镜主要用于对物质表面在纳米级上进行成

像和分析。

2 实验目的

1. 了解原子力显微镜的工作原理。

2. 初步掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法。

3 实验原理

3.1 AFM的工作原理和工作模式

3.1.1 AFM的工作原理

在AFM中用一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂上的极细探针代替STM中的金属极细探

针，当探针与样品接触的时候，由于它们原子之间存在微弱的作用力（吸引力或者排斥

1

力），引起微悬臂偏转。扫面时控制这种作用力恒定，带针尖的微悬臂将对应于原子间作

用力的等位面，在垂直于样品表面方向上起伏运动，通过光电检测系统对微悬臂的偏转进

行扫描，测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，将信号放大与转换从而得到样品表面原

子级的三维立体形貌图像，AFM的核心部件是力传感器，包括微悬臂（Cantilever）和固

定于其一端的针尖。

根据物理原理，施加到微悬臂末端力的表达式为

F = K∆Z (1)

式中，∆Z表示针尖相对于试样间的距离，K是微悬臂的弹性系数。力的变化均可以通过

微悬臂被检测。

3.1.2 AFM的关键部分

AFM的关键部分是力敏感元件和力敏感元件检测装置。为了能准确反映出样品的表面形

貌，力传感器要满足以下几个要求

1. 在针尖与样品的接触过程中，为了不使针尖损坏样品，要求微悬臂有相对较低的力

弹性常数，即受到很小的力就能产生可检测的位移。

2. 为了降低一起对于噪声的敏感性，并使其有较高的扫描速度，要求微悬臂有尽可能

高的固有共振频率（一般为200kHz ∼ 300kHz）。

3. 因为微悬臂上的针尖与样品的摩擦力会引起微悬臂的横向弯曲，从而导致图像失

真，这就要求微悬臂要有高的横向刚性，实际应用中将微悬臂制成V字形就可提高其

横向刚性。

4. 如果采用隧道电流方式来检测微悬臂的位移，微悬臂的背面必须要有金属电极，若

采用光学方法检测，则要求微悬臂背面有尽可能光滑的反射面

5. 如果采用光学反射方法检测微悬臂位移时，如果微悬臂一端的线性平移量是一定

的，那么臂长越短，微悬臂的弯曲度就越大，检测的灵敏度就越好。

6. 带有一个尽可能尖锐的针尖。AFM仪器的发展，也可以说是微悬臂和针尖不断改进的

过程。一般AFM采用微机械加工技术制作的硅、氧化硅以及氮化硅（Si

3

N

4

)微悬臂。

力传感器如图1所示（实验中用到的微探针底宽5µm，针尖直径5nm）。

微悬臂运动的检测方法有多种，主要可以分成两大类：一类是电学方法；一类是光学

方法。

电学方法主要包括隧道电流检测法和电容检测法两种。隧道电流检测法是第一台AFM所

采用的方法，它根据隧道电流对电极间距离非常敏感的原理，将STM用的针尖置于微悬臂

的背面作为探测器。如图2(a)所示，通过该针尖与微悬臂间产生的隧道电流变化就可以检

测由于原子间相互作用力令微悬臂产生的形变。电容法则是通过测量微悬臂与一参考电极

间的电容变化来检测微弱力的。如果2(b)所示，当微悬臂发生形变时，使它与参考电极间

2

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