技术详细介绍
原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM), 一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构 的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力 敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物 质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬 臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将 与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动 状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化， 就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得 表面形貌结构信息及表面粗糙度信息。原子力显微镜主要由带针尖的微悬臂，微悬臂运 动检测装置，监控其运动的反馈回路，使样品进行扫 描的压电陶瓷扫描器件，计算机控制的图像采集、显 示及处理系统组成。微悬臂运动可用如隧道电流检测 等电学方法或光束偏转法、干涉法等光学方法检测， 当针尖与样品充分接近相互之间存在短程相互斥力时, 检测该斥力可获得表面原子级分辨图像，一般情况下 分辨率也在纳米级水平oAFM测量对样品无特殊要求, 可测量固体表面、吸附体系等。原子力显微镜(AFM)在许多基础研究领域中得到 广泛使用，是超微观察工具，特别是对于不具有导电 性的生物样品和有机材料等，AFM同样可以提供较高 分辨率的表面形貌图像。同时，AFM还具有操纵和改造原子、分子世界的手段。原子力显微镜为了避免加宽效应，一般通过电子束 加工针尖使其曲率半径达到几个纳米，来提高图像的分 辨率和准确度。但仍然存在着一些局限性，例如：针尖 性质的变化很大，获得高分辨率的图像变得很难。另外， 针尖扫描时的磨损对分辨率也有影响。AFM能获得原子 分辨率，主要是因为在其针尖的表面存在着原子级的突 起，构成了与样品的实际接触。但是这些突起的尺寸形 状和化学组成是未知的，而且在实验中经常发生改变， 因此获得可信赖的针尖是成像过程中获得高分辨率的关 键°不同的针尖适用于AFM不同的应用领域。导电原子 力显微镜(CAFM)采用固体金属作AFM的针尖，对 材料进行纳米尺度的电学表征依然存在着同样的困扰。北京大学工学院研究团队利用单层石墨烯包覆 CAFM金属针尖，发现石墨烯包覆的针尖保留了包覆前 针尖的形状，并且包覆的针尖能承受非常高的电流和摩 擦力。新型针尖具有稳定、耐磨、寿命长、图像失真度 低等优点，很好的解决了现有AFM针尖中存在的问题， 提高了 AFM的仪器性能。该项研究已经申请了欧洲专利， 纳米技术设备领域的诸多公司表现出了对该项研究成果 的强烈兴趣。