原子間力顕微鏡（AFM）とは何ですか？

原子間力顕微鏡（AFM）は、ナノメートルサイズの先端を持つプローブをその表面全体にすばやく移動させることにより、サンプルを画像化する非常に正確な顕微鏡です。 これは、反射光を使用してサンプルをイメージングする光学顕微鏡とはまったく異なります。 AFMプローブは、プローブのサイズが可視光の最も細かい波長よりもはるかに小さいため、光学顕微鏡よりもはるかに高い解像度を提供します。 超高真空では、原子間力顕微鏡が個々の原子を画像化できます。 その非常に高い分解能により、AFMはナノテクノロジーの分野で働く研究者に人気があります。

プローブとサンプル間の量子トンネリングの程度を測定して間接的に表面を画像化する走査トンネル顕微鏡（STM）とは異なり、原子間力顕微鏡では、プローブは表面に直接接触するか、プローブとサンプル間の初期化学結合を測定します。

AFMは、サイズがナノメートルで測定されるプローブチップを備えたマイクロスケールのカンチレバーを使用します。 AFMは、接触（静的）モードと動的（振動）モードの2つのモードのいずれかで動作します。 静的モードでは、プローブは静止したままですが、動的モードでは振動します。 AFMを表面に近づけたり接触させたりすると、カンチレバーがたわみます。 通常、カンチレバーの上部には、レーザーを反射するミラーがあります。 レーザーはフォトダイオードに反射し、フォトダイオードはその偏向を正確に測定します。 AFMチップの振動または位置が変化すると、フォトダイオードに記録され、画像が構築されます。 光学干渉、静電容量センシング、またはピエゾ抵抗（電気機械）プローブチップなど、よりエキゾチックな代替手段が使用される場合があります。

原子間力顕微鏡では、個々の原子はマトリックス内のファジーな塊のように見えます。 この程度の解像度を実現するには、超高真空環境と非常に硬いカンチレバーが必要です。これにより、近距離で表面にくっつくのを防ぎます。 剛性カンチレバーの欠点は、たわみの程度を測定するためにより正確なセンサーが必要なことです。

別の一般的なクラスの高精度顕微鏡である走査トンネル顕微鏡は、通常、AFMよりも優れた解像度を備えていますが、AFMの利点は、液体または気体の周囲環境で使用できることです。STMは高真空で動作する必要があります。 これにより、湿ったサンプル、特に生体組織のイメージングが可能になります。 原子間力顕微鏡は、超高真空で剛性の高いカンチレバーを使用すると、STMと同等の解像度を持ちます。