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How AFM Works

Atomic force microscopy is arguably the most versatile and powerful microscopy technology for studying samples at nanoscale. It is versatile because an atomic force microscope can not only image in three-dimensional topography, but it also provides various types of surface measurements to the needs of scientists and engineers. It is powerful because an AFM can generate images at atomic resolution with angstrom scale resolution height information, with minimum sample preparation.

So, how does an AFM work? In this page, we introduce you to the principles of an AFM with an easy to understand video animations. Feel free to share this page with others, and to email us if you have any questions.


AFM Principle

ナノの世界
ナノは、ギリシャ語の小人を意味する単語に由来する言葉で、数学では10の-9乗を意味します。すなわち、ナノメーターは10億分の1メーターに相当し、このスケールでは、分子間力、量子効果が有効です。ナノスケールを例で説明すると、原子のリンゴに対する大きさの比は、リンゴの地球に対する大きさの比に等しいです。原子間力顕微鏡(AFMs)は、私たちをナノスケールの世界に導いてくれるものです。

AFMの原理
- 表面センサー
AFMでは、サンプルの表面をスキャンするのに、とても鋭いチップを有するカンチレバー(片持ち梁)を用いています。チップがサンプル表面に近づくと、サンプル表面とチップの近距離で働く引力により、カンチレバーがサンプル表面に対して偏向します。しかしながら、カンチレバーがさらにサンプル表面に近づき、チップがサンプル表面に接触する程度になると、反発力が有効になり、カンチレバーをサンプル表面から偏向させます。

- 感知方法
サンプル表面に対するカンチレバーの偏向の程度を、レーザービームを用いて感知します。入射ビームがカンチレバーの表面トップを反射することにより、カンチレバーの偏向が反射ビームの方向にわずかな変化を生じさせます。2 分割フォトダイオード(position sensitive photo diode, PSPD)により、この変化を感知します。このようにして、AFMチップがサンプル表面の特性を感知することにより、カンチレバーの偏向(およびそれに伴う反射ビームの方向の変化)がPSPDにより記録されます。

- イメージング
AFMを用いて、サンプル表面の対象領域について、カンチレバーのスキャンによりサンプル表面の形態をイメージ化することができます。サンプル表面の隆起および陥没は、カンチレバーの偏向に影響し、PSPDによるモニターが可能です。サンプル表面からのチップの距離を制御するフィードバック・ループを用いることにより、レーザー位置を保つことが可能となり、AFMはサンプル表面の正確な形態を描くことができます。

 

AFM 原理