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原子力顯微鏡系統主要由以下幾部分組成：(1)帶針尖的力敏感元件;(2)力敏感元件運動檢測裝置;(3)監控力敏感元件運動的反饋回路;(4)掃描系統(一般使用壓電陶瓷)，其作用是使樣品進行掃描運動;(5)圖象采集及顯示;(6)圖象處理系統。其中關鍵的是前兩部分。
原子力顯微鏡的工作原理將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸。使針尖在樣品的表面上掃描，由于針尖原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力(10-8-10-6N)，原子間作用力的檢測主要由光杠桿技術來實現。如果探針和樣品間有力的作用，懸臂將會彎曲。為檢測懸臂的微小彎曲量(位移)，采用激光照射懸臂的，四象限探測器就可檢測出懸臂的偏轉。如果控制這種力在掃描過程中保持恒定，則微懸臂將在垂直于樣品表面的方向上起伏運動，利用隧道電流檢測法或光學檢測方法，測定微懸臂對應于掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。
根據原子力顯微鏡所測力的性質的不同，其工作模式及微懸臂運動的檢測方法將有所不同。所謂工作模式，主要是指AFM工作時微懸臂運動所處的狀態，主要可分為兩種。一種為準靜態工作模式，此時針尖與樣品的相互作用力較強，微懸臂有較大形變，可用隧道電流法，電容及激光束偏轉探測法等直接檢測此形變。處于該模式，針尖與樣品的間距小于0.03nm，基本上是緊密接觸的(故又稱接觸模式)。由于此時二者電子云發生重疊，導致儀器的分辨率高，可達原子級水平。
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