Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM-Atomic Force Microscopy) giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1989 bởi Gerd Binnig và Heirich Rohrer, IBM Zurich. AFM hoạt động không cần chân không và cũng không cần mẫu dẫn điện. AFM hoạt động do lực tương tác nguyên tử giữa đầu dò và mẫu vật. Tùy theo tương tác của đầu dò và mẫu mà có thế có nhiều chế độ chụp ảnh. AFM có thể đạt độ phân giải tới cấp độ nguyên tử.
Hình 1.10. Kính hiển vi lực nguyên tử AFM.
1.5.2.2. Nguyên lý hoạt động
Khi đầu dò gần bề mặt mẫu vật sẽ xuất hiện lực Vander Waals giữa các nguyên tử tại bề mặt mẫu và nguyên tử tại đầu đầu dò (lực nguyên tử) làm thanh rung. Lực này phụ thuộc vào khoảng cách giữa đầu mũi dò và bề mặt của mẫu. Dao động này được ghi lại nhờ một tia laser được chiếu vào bề mặt phản xạ của thanh rung. Dao động này làm thay đổi góc lệch của tia laser và được detector thu lại. Khi đầu dò quét lên bề mặt mẫu, do sự mấp mô, nó sẽ
ứng với rung động đó. Đặc trưng dao động của chùm laser phản xạ sẽ được hệ thống photodetector ghi lại và chuyển thành tín hiệu điện thế. Tín hiệu điện thế lại được xử lý và diễn giải theo chiều cao z đặc trưng cho tính chất địa hình của mẫu. Quá trình hồi tiếp sự khác nhau về tín hiệu giữa những cảm biến quang học, qua sự xử lý của phần mềm máy tính, cho phép duy trì hoặc là một lực không đổi, hoặc là một độ cao không đổi trên bề mặt mẫu. Việc ghi lại lực tương tác trong quá trình thanh rung quét trên bề mặt sẽ cho hình ảnh cấu trúc bề mặt của mẫu vật.
Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý làm việc của kính hiển lực nguyên tử.
Kính hiển vi lực nguyên tử còn có khả năng đo phổ gọi là phổ AFM (force spectrocopy), là phổ phân bố lực theo khoảng cách. Các phổ này cung cấp thông tin về cấu trúc nguyên tử, các liên kết hóa học. Kính hiển vi AFM có ưu điểm đo được vật liệu dẫn điện và vật liệu không dẫn điện, có thể đo được trong điều kiện thường, không đòi hỏi môi trường chân không cao, mẫu chuẩn bị đơn giản và cho hình ảnh khá rõ ràng về đặc trưng của bề mặt mẫu.