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原子力顯微鏡的基本原理是利用針尖與樣品表面原子間的微弱作用力來作為反饋信號(hào)。將一個(gè)對微弱力具有超高敏感性的微小懸臂的一端固定，另一端上含有一個(gè)微小的針尖。進(jìn)行測試時(shí)，針尖通過與待測樣品的表面進(jìn)行輕輕的碰觸，原子與待測樣品表面的原子之間存在微弱的相互作用力，在掃描時(shí)通過維持這種相互作用力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向上進(jìn)行起伏運(yùn)動(dòng)。通過光學(xué)檢測或者隧道電流檢測的方法，可觀測到掃描各點(diǎn)位置的變化，從而可以準(zhǔn)確獲得樣品的表面形貌等信息。
原子力顯微鏡的系統(tǒng)可分成三個(gè)部分：力檢測部分、位置檢測部分、反饋系統(tǒng)。
力檢測部分：所要檢測的力是原子與原子之間的范德華力。使用微小懸臂(cantilever)來檢測原子之間力的變化量。微懸臂通常由一個(gè)一般100500μm長和大約500nm5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微懸臂頂端有一個(gè)尖銳針尖，用來檢測樣品與針尖間的相互作用力。
位置檢測部分：以激光檢測原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection，Laser-AFM)為例，二極管激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)聚焦在微懸臂背面，并從微懸臂背面反射到由光電二極管構(gòu)成的光斑位置檢測器。在樣品掃描時(shí)，由于樣品表面的原子與微懸臂探針原子間的相互作用力，微懸臂將隨樣品表面形貌而彎曲起伏，反射光束也將隨之偏移。通過光電二極管檢測光斑位置的變化，就能獲得被測樣品表面形貌的信息。
反饋系統(tǒng)：通過電子學(xué)反饋系統(tǒng)使彎曲量保持一定，即控制掃描管Z軸使作用于針尖與樣品間的力保持一定。
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