原子力显微镜的那些事儿

原子力显微镜虽然名字里有“显微镜”这三个字，却是通过一根小小的探针来间接地感知物体表面的结构。这根探针小到什么程度呢？其核心部件是一个长约100微米，宽约20微米的条状物，我们称其为悬臂。在悬臂的末端是一个更小的尖状物，最末端的直径一般只有十几个纳米，我们称它为针尖。针尖和悬臂合起来构成了一个完整的原子力显微镜的探针，一般使用硅或者氮化硅作为材料。可以说探针是原子力显微镜最为关键的部件。原子力显微镜也是运用了类似的原理。如果我们用一根探针来靠近某个物体的表面，当针尖与表面距离非常小时（一般在几个纳米左右），二者之间会存在一个微弱的相互作用。我们可以看到，针尖与物体表面之间的作用力大小和它们之间的距离直接相关，距离非常近时（一般小于零点几纳米）二者之间的力是相互排斥的，如果它们的距离略微增大，互相之间的作用力又会由排斥转变为吸引。也就是说，我们可以通过针尖与物体表面之间作用力的大小来计算二者之间的距离，进而探测物体表面的结构。这种作用力实际上在任何两个原子或者分子之间都能观察到，称为范德华力，这也就是为什么这种仪器会被冠名“原子力”。

不过这里还有一个问题：针尖和物体表面之间的作用力是十分微弱的，我们该如何有效测量它的大小呢？这个时候前面提到的悬臂就派上用场了。由于针尖和悬臂是连在一起的，针尖受到的力会导致悬臂发生弯曲，受力越大，悬臂弯曲的越厉害。这样，通过测量悬臂弯曲的程度，我们就可以知道针尖与物体表面之间的作用力的大小。但是悬臂由于受力而发生的弯曲依然很小，直接测量这么小的程度的弯曲并不现实。原子力显微镜的发明者巧妙地解决了这个难题。他们将一束激光投射到悬臂的上表面，激光被悬臂反射后又被检测器接收。当悬臂没有受力时，我们可以调节激光的位置使得反射之后的激光光束恰好到达检测器的中心并保持入射激光光束的位置不变。一旦悬臂由于受力而发生弯曲，经悬臂反射到达检测器的激光必然会偏离检测器的中心。通过激光束的反射，悬臂的弯曲程度可以被放大1000倍。