原子力显微镜的原理及其应用

原子力显微镜：是一种利用原子,分子间的相互作用力来观察物体表面微观形貌的新型实验技术.它有一根纳米级的探针,被固定在可灵敏操控的微米级弹性悬臂上.当探针很靠近样品时，其顶端的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲，偏离原来的位置.根据扫描样品时探针的偏离量或振动频率重建三维图像.就能间接获得样品表面的形貌或原子成分.

详细

图1. 激光检测原子力显微镜探针工作示意图

原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。下面，我们以激光检测原子力显微镜（Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection,Laser-AFM）——扫描探针显微镜家族中最常用的一种为例，来详细说明其工作原理。 如图1所示，二极管激光器（Laser Diode）发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂（Cantilever）背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器（Detector）。在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。 子力显微镜——原理图

在系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的距离始终保持在纳米（10e-9米）量级，距离太大不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品，反馈回路(Feedback）的作用就是在工作过程中，由探针得到探针-样品相互作用的强度，来改变加在样品扫描器垂直方向的电压，从而使样品伸缩，调节探针和被测样品间的距离，反过来控制探针-样品相互作用的强度，实现反馈控制。因此，反馈控制是本系统的核心工作机制。本系统采用数字反馈控制回路，用户在控制软件的参数工具栏通过以参考电流、积分增益和比例增益几个参数的设置来对该反馈回路的特性进行控制。

编辑本段优缺点

优点

原子力显微镜观察到的图像

相对于扫描电子显微镜，原子力显微镜具有许多优点。不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM提供真正的三维表面图。同时，AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。第三，电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织。

缺点

和扫描电子显微镜(SEM）相比，AFM的缺点在于成像范围太小，速度慢，受探头的影响太大。原子力显微镜（Atomic Force Microscope）是继扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope）之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器，可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵；现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研究和科研院所各种纳米相关学科的研究实验等领域中，成为纳米科学研究的基本工具。原子力显微镜与扫描隧道显微镜相比，由于能观测非导电样品，因此具有更为广泛的适用性。当前在科学研究和工业界广泛使用的扫描力显微镜（Scanning Force Microscope），其基础就是原子力显微镜。

编辑本段仪器结构

在原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。

力检测部分

在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是使用微小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变化量。微悬臂通常由一个一般100~500μm长和大约500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品－针尖间的相互作用力。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。

位置检测部分

原子力显微镜

在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂cantilever摆动，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供SPM控制器作信号处理。

反馈系统

在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。

总结

AFM系统使用压电陶瓷管制作的扫描器精确控制微小的扫描移动。压电陶瓷是一种性能奇特的材料，当在压电陶瓷对称的两个端面加上电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。而伸长或缩短的尺寸与所加的电压的大小成线性关系。也就是说，可以通过改变电压来控制压电陶瓷的微小伸缩。通常把三个分别代表X，Y，Z方向的压电陶瓷块组成三角架的形状，通过控制X，Y方向伸缩达到驱动探针在样品表面扫描的目的；通过控制Z方向压电陶瓷的伸缩达到控制探针与样品之间距离的目的

可以生产轴承的几种轴承钢材料 http://www.nskfag.org 2010-11-22 编辑：瑞精进口轴承 可以生产轴承的几种轴承钢材料 整体淬硬轴承钢 最常用的整体淬硬轴承钢是一种碳铬钢，按照ISO 683-17:1999，含有大约1%碳和1,5%铬。如今，碳铬钢是最老的和研究最多的钢材之一； 由于对延长轴承使用寿命的要求不断地提高。 这种轴承钢提供制造与应用性能之间的最佳平衡。 这种钢材通常经过马氏体或贝氏体热处理，在此过程中被淬硬到58至65 HRC的范围。 在过去几年里，工艺发展实现了更严格的清洁规范，SKF轴承钢的密度和质量有重要的突破。氧和有害的非金属夹杂物的减少显著改善了轴承钢的特性——这是制造SKF Explorer级轴承所用的钢材。 感应淬火轴承钢 表面感应淬火提供有选择地淬硬部件滚道而部件的其余部分则不受淬火过程的影响的可能性。 钢材等级和表面感应淬火前所用的制造工艺决定不受淬火影响部分的特性，这就是说可以将各种特性混合在一个部件中。 举例来说，一个带法兰的轮毂轴承组件（HBU），其未淬硬法兰的设计特性是抗结构疲劳，而滚道的设计目的是抗滚动接触疲劳。 表面淬硬轴承钢 按照ISO 683-17:1999含有大约0,15%碳的铬镍与锰铬合金钢是SKF滚动轴承最常用的表面淬硬钢材。 在有高张力过盈配合与高冲击负荷的应用场合，建议使用带有渗碳套圈和/或滚动体的轴承。 不锈轴承钢 最常用于SKF轴承套圈和滚动部件的不锈钢是高铬钢X65Cr14根据ISO 683-17:2000和高铬钢X105CrMo17根据EN 10088-1:1995。 应当注意，对于某些用途，耐腐蚀涂层可能是替代不锈钢的极好材料。 要了解可替代涂层的进一步情况，请向SKF应用工程服务部门咨询。 高温轴承钢 用整体淬硬钢和表面淬硬钢制造的标准轴承，视轴承类型而定，建议的最高工作温度在摄氏120至200度之间不等。 最高工作温度与制造元件所用的热处理工艺直接有关。 对于高达摄氏250度的工作温度， 可以采用特殊热处理（稳定）工艺。 在这种情况下，必须考虑到轴承的承载能力会降低。 对于在高温（高于摄氏250度）下长期运行的轴承，应当使用符合ISO 683-17:1999标准的80MoCrV42-16等高合金钢，因为这种钢材即使在极端温度条件下都能保持其硬度和轴承良好性能。 要想了解有关高温轴承钢的进一步情况，请跟SKF应用工程服务部门联系。 陶瓷材料 常用于SKF轴承套圈和滚动体的陶瓷材料是轴承级的氮化硅材料。 它是由位于玻璃相基中的贝塔氮化硅细长晶粒构成。 它为滚动轴承提供极佳的特性，例如高硬度、低密度、低热膨胀率、高电阻率、低介电常数以及不受磁场影响等（表17）。 本文地址： http://www.nskfag.org/news/201011_32262.html

---