原子間力顕微鏡の動作原理と応用

原子間力顕微鏡の動作原理と応用

原子間力顕微鏡は、走査型トンネル顕微鏡の基本原理に基づいて開発された走査型プローブ顕微鏡です。原子間力顕微鏡の出現がナノテクノロジーの発展において原動力となったことは間違いありません。原子間力顕微鏡に代表される走査型プローブ顕微鏡は、小さなプローブを使って試料の表面を走査し、高倍率で観察する顕微鏡です。原子間力顕微鏡スキャンにより、さまざまな種類のサンプルの表面状態情報が得られます。従来の顕微鏡と比較した原子間力顕微鏡の利点は、大気条件下でサンプルの表面を高倍率で観察でき、他のサンプル前処理を必要とせずに、ほぼすべてのサンプル（表面の平滑性に関する一定の要件はある）に使用して、サンプル表面の三次元形態画像を取得できることです。-また、スキャンによって得られた三次元形態画像に対して、粗さの計算、厚さ、ステップ幅、ブロック図、または粒子サイズの分析を実行できます。{6}}

原子間力顕微鏡は多くのサンプルを検出し、従来の走査型表面粗さ計や電子顕微鏡では提供できない表面研究や生産管理、プロセス開発のためのデータを提供します。

1、基本原則
原子間力顕微鏡では、試料の表面と細いプローブの先端との間の相互作用力（原子間力）を利用して表面形態を測定します。

プローブの先端は小さな柔軟なカンチレバー上にあり、プローブがサンプル表面に接触したときに生じる相互作用はカンチレバーのたわみの形で検出されます。サンプル表面とプローブ間の距離は 3-4nm 未満であり、それらの間で検出される力は 10-8N 未満です。レーザーダイオードからの光はカンチレバーの背面に集束します。力の作用によりカンチレバーが曲がると、反射光が偏向され、位置感知型光検出器を使用して角度を偏向させます。次に、収集したデータをコンピュータで処理して、試料表面の三次元画像を取得します。

完成したカンチレバープローブは、圧電スキャナーによって制御されるサンプル表面に配置され、水平精度で 0.1 nm 以下のステップ幅で 3 方向にスキャンされます。一般に、サンプル表面 (XY 軸) を詳細にスキャンする場合、カンチレバーの変位フィードバックによって制御される Z- 軸は固定されたままで変化しません。走査応答をフィードバックするZ-軸の値はコンピュータに入力されて処理され、試料表面の観察画像（3D画像）が得られます。