原子力顯微鏡

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，簡稱AFM），也稱掃描力顯微鏡（Scanning Force Microscope，SFM）是一種納米級高分辨的掃描探針顯微鏡，優於光學衍射極限1000倍。原子力顯微鏡的前身是掃描隧道顯微鏡，是由IBM蘇黎士研究實驗室的卡爾文. 奎特（C. F. Quate），格爾德·賓寧（Gerd Binnig）和格勃（Ch. Gerber）在1986年在掃描隧道顯微鏡（STM， Scanning Tunnelling Microscope ）的基礎上設計而來。

格爾德·賓寧、魁特（Calvin Quate）和格勃（Gerber）於1986年發明第一台原子力顯微鏡^[1]，而第一台商業化原子力顯微鏡於1989年生產的。AFM是在納米尺度操作材料，及其成像和測量最重要的工具。信息是通過微懸臂感受和懸臂上尖細探針的表面的「感覺」來收集的，而壓電元件可以控制樣品或掃描器非常精確的微小移動，用導電懸臂（cantilever）和導電原子力顯微鏡附件則可以測量樣品的電流偏壓；更高級的儀器則可以測試探針上的電流來測試樣品的電導率或下表面的電子的移動，不過這種測試是非常艱難的，只有個別實驗室報道了一致的數據。利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細探針與受測樣品原子之間的作用力，從而達到檢測的目的，具有原子級的分辨率。由於原子力顯微鏡既可以觀察導體，也可以觀察非導體，從而彌補了掃描隧道顯微鏡的不足。

原子力顯微鏡是由IBM公司蘇黎世研究中心的格爾德·賓寧與斯坦福大學的Calvin Quate於一九八五年所發明的，其目的是為了使非導體也可以採用類似掃描探針顯微鏡（SPM）的觀測方法。原子力顯微鏡（AFM）與掃描隧道顯微鏡（STM）最大的差別在於並非利用電子隧穿效應，而是檢測原子之間的接觸，原子鍵合，范德瓦耳斯力或卡西米爾效應等來呈現樣品的表面特性。

工作原理

AFM的關鍵組成部分是一個頭上帶有一個用來掃描樣品表面的尖細探針的微觀懸臂。這種懸臂大小在數十至數百微米，通常由硅或者氮化硅構成，其上載有探針，探針之尖端的曲率半徑則在納米量級。當探針被放置到樣品表面附近的地方時，懸臂上的探針頭會因為受到樣品表面的力而遵從胡克定律彎曲偏移。在不同的情況下，這種被AFM測量到的力可能是機械接觸力、范德華力、毛吸力、化學鍵、取向力、靜電力、磁力（見磁力顯微鏡）卡西米爾效應力、溶劑力等等。通常，偏移會由射在微懸臂上的激光束反射至光敏二極管陣列而測量到，較薄之懸臂表面常鍍上反光材質（如鋁）以增強其反射。其他方法還包括光學干涉法、電容法和壓電效應法。這些探頭通常由採用壓電效應的變形測量器而製得。通過惠斯登電橋，探頭的形變可以被測得，不過這種方法沒有激光反射法或干涉法靈敏。

當在恆定高度掃描時，探頭很有可能撞到表面的造成損傷。所以通常會通過反饋系統來維持探頭與樣品片表面的高度恆定。傳統上，樣品被放在壓電管上並可以在z方向上移動以保持與探頭之間的恆定距離，在x、y方向上移動來實現掃描。或者採用一種「三腳架」技術，在三個方向上實現掃描，這種方法部分抑制了壓電管掃描時所產生的扭曲效應。在較新的設計中，探針被裝載在垂直壓電掃描器上，而樣品則用另外的壓電結來掃描X和Y方向。掃描的結果z = f(x,y)就是樣品的形貌圖。

AFM可以在不同模式下運行。這些模式可以被分為靜態模式（Static Mode，也稱接觸模式，Contact Mode），或其他一系列動態模式（Dynamic Mode，如非接觸模式（Non-Contact Mode）、輕敲模式（Tapping Mode）、側向力（Lateral Force Mode）模式）^[2]。

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