離焦式原子力顯微鏡(Defocus Atomic Force Microscope, DeF-AFM)係利用光碟機讀取頭作為開發核心元件，大幅提升系統穩定性與可靠度。運用光碟機讀取頭內部雷射搭配光學透鏡與光檢測器，建構高斯光束縱向強度量測系統，再藉由解析入射懸臂之匯聚光束於光軸上的指數強度變化量，獲得懸臂位移。高斯光束縱向量測機制具有兩區域線性量測範圍並對稱於焦點且各為8µm。不同於以往光學量測系統操作之焦點位置，本系統於量測時僅需操作於其中一區域，因此構成本文之離焦式原子力顯微鏡。
光學量測系統性能取決於量測光源的穩定程度，因此本研究進行雷射波長飄移對離焦式量測系統的影響分析與討論。利用光譜儀測得本研究使用之光碟機讀取頭的雷射波長飄移量為1.7nm，同調長度為179.1µm。上述數值會造成匯聚光位置偏移302.6nm。而本系統架構下的線性量測範圍為8µm，因此操作於輕敲式(Tapping mode)下，將可免於匯聚光位置偏移影響。此外，雷射之同調長度遠大於線性量測範圍，因此於垂直式光路下之光學干涉現象將無可避免。
本研究亦設計DeF-AFM之配套控制器，XYZ三軸動態量測範圍可達13410.9nm、12714.9nm與1400nm，並分別具備橫向解析度為3.3nm與3.1nm以及縱向解析能力為0.34nm。經實驗結果證實，本論文所發展之新型離焦式原子力顯微鏡DeF-AFM具有獲得石墨單層原子台階之解析能力。（機械系黃光裕教授提供）
圖1 高斯光束縱向強度量測系統光路圖
圖2 離焦式原子力顯微鏡架構圖
圖3 懸臂激振與訊號計算架構
圖4 HOPG量測結果(Cross Section 1 = 0.34nm)