原子間力顕微鏡
カンチレバー先端の平板部分に当てたレーザーの反射光を、4ないし2分割のフォトダイオードの中心で測定する。探針が試料表面に近づくと、探針と試料表面原子との原子間力によりカンチレバー(探針)が試料表面に引き寄せられ、変形して接触(コンタクト)する。この変形のために反射光の角度が変わり、フォトダイオードの上下の領域の光起電力に差が生じる。この起電力の差がなくなる(=探針の変位を一定にする)ようにカンチレバーもしくは試料を上下させながら、試料をなぞるようにスキャンする(零位法)。このときの制御信号が試料の表面状態(凹凸の様子)として観察される。
カンチレバーおよび試料の位置変更は、圧電アクチュエータの圧電効果による変形を利用して制御している(観察する領域のサイズは数nm~数十μm程度であり、このスケールで移動を精密に制御する必要があるため。)。測定が容易だが、接触時に働く強い力や摩擦のためにやわらかい試料を損傷する場合がある。
カンチレバー(片持ち梁)の先端に取り付けた鋭い探針を用いて、試料表面をなぞる、または試料表面と一定の間隔を保って試料表面を走査し、その時のカンチレバーの上下方向への変位を計測することにより、試料表面の凹凸形状の評価を行う。AFMには様々な測定方法があり、以下に代表的な例を挙げる。
圧電素子によってカンチレバーを上下に振動させながら試料表面のごく近傍(数ナノメートル程度)まで近づけ、両者の間に働く原子間相互作用による力を検出し、一定の力(=距離)を保ってスキャンする。探針と試料の間の距離に応じて振動の振幅、位相、周波数が変化するので、これらが一定になるようにカンチレバーもしくは試料を上下させながら測定を行なう。
探針を接触させずに測定を行なうため、試料を傷つける心配がない。また光てこ方式よりも単純なので真空での測定にも適しており、ヤング率の高い(=硬い)プローブを用いることで非常に高い空間分解能を実現できる。2000年にGiessiblらはこの方式を用い、初めてAFMによるサブ原子レベルでのSi(111)表面における(7×7)構造の観察に成功した。