原子力显微镜在扫描样品表面形貌时,通过压电陶瓷三维扫描器来驱动探针。以下是对AFM原子力显微镜驱动探针方式的详细解释:
一、基本原理
原子力显微镜利用原子间范德瓦耳斯作用力随着作用距离的变化,通过检测样品表面与一个微弱力敏感元件(即探针)之间的相互作用力来呈现材料表面结构。这一微弱力敏感元件通常是由氮化硅片或硅片制成的弹性微悬臂,其顶端有一硅或碳纳米管等材料制成的微小针尖。
二、驱动方式
在扫描过程中,压电陶瓷三维扫描器负责驱动微悬臂及其顶端的针尖进行移动。压电陶瓷是一种能够将电能转化为机械能的材料,当对其施加电压时,会产生微小的形变。通过精确控制施加在压电陶瓷上的电压,可以实现对其形变的精确控制,从而驱动微悬臂和针尖在三维空间内进行精确的移动和扫描。
三、工作模式
AFM原子力显微镜主要有三种工作模式:接触模式、非接触模式和轻敲模式(间歇接触模式)。在这三种模式下,探针的驱动方式均基于压电陶瓷三维扫描器的控制。
接触模式:在此模式下,探针J端与样品表面进行柔软性的“实际接触”。当针尖轻轻扫过样品表面时,接触的力量引起悬臂弯曲,进而得到样品的表面图形。但此模式不适用于研究生物大分子、低弹性模量样品以及容易移动和变形的样品。
非接触模式:在此模式下,探针在样品表面的上方振动,始终不与样品接触。探测器检测的是范德华作用力和静电力等对成像样品没有破坏的长程作用力。由于探针与样品不接触,因此可以避免对样品的损坏,但分辨率相对较低。
轻敲模式:在此模式下,探针以一定的频率和振幅在样品表面振动,间歇性地与样品接触。探测器检测的是针尖受迫振动时的共振频率和振幅变化,从而获得样品的表面形貌信息。此模式集合了接触与非接触模式的优点,既减少了剪切力对样品表面的破坏,又适用于柔软的样品表面成像。
综上所述,原子力显微镜在扫描样品表面形貌时,通过压电陶瓷三维扫描器来驱动探针进行移动和扫描。这一驱动方式使得AFM原子力显微镜能够实现对样品表面形貌的高分辨率成像和测量。