原子力显微镜的功能和原理

AtomicForceMicroscope 原子力显微镜 ,AFM，是一种用于研究固体材料表面结构的分析仪。该系统利用探测被测样品表面与微量力敏元件之间具有非常微弱的原子间相互作用力，研究了物质的表面结构及其性质。把一对弱力极敏感的微悬臂一端固定在一端，另一端的微小针尖靠近样品，当与样品相互作用时，作用力会使悬臂变形或改变运动状态。用传感器对扫描样品进行测量，可以得到力场分布的信息，从而获得材料的纳米尺度的表面结构信息和表面粗糙度信息。

运作方式：

AFM工作原理

在一端固定一端，另一端有一小针，针尖与试样表面轻轻地接触，对弱力非常敏感。因为针尖尖原子与样品表面原子之间存在很弱的作用力，使得悬臂产生微小的偏转。该方法通过对扫描各点位置变化进行检测，利用反馈控制其排斥力的恒定，实现了对扫描各点位置变化的测量，从而得到样品表面形貌图像。

运行方式：

AFM的工作方式按针尖和试样的作用方式进行分类。触击式(contactmode)、不触击式(non-contactmode)和敲击式(tappingmode)三种操作方式。

AFM工作模式的研究。

触点方式：

触击方式是AFM最直接的成像方式，从概念上理解。在AFM扫描成像过程中，探针针尖和试样表面始终保持紧密接触，互相作用为排斥力。由悬臂作用于针尖的作用力会破坏样品的表面结构，从而使扫描时所受的压力范围为10~10-6N。如果试样表面柔软，承受不了这种作用力，则不宜选择接触方式对试样表面成像。

无触点方式：

当悬臂在距样品表面以上5~10nm的距离上振动时，非接触方式探测样品表面。在这段时间内，试样和针尖的相互作用是由范德华力控制的，一般为10-12N，试样不会被破坏，且针尖不受污染，尤其适用于对柔软物体的研究。该运行方式的缺点是，该模式很难在室温大气环境中实现。由于试样表面不可避免地会积聚一层水份，所以就在试样和针尖之间搭起一小片毛细桥，使针尖和表面接触，从而增加针头对表面的压力。

击打方式：

击打方式介于触击式与不触击式之间，属于杂化性概念。试样表面上方的悬臂以共振频率振荡，而针尖只是周期性地与样品表面接触/撞击。也就是说，针尖与样品接触时，产生的侧向力将显著降低。所以，在对柔软试样进行检测时，AFM敲击方式是。当AFM开始对样本进行成象扫描后，设备立即将相关数据输入系统，例如表面粗糙度，平均高度，峰谷顶点之间的距离等，用于物体表面分析。此外，AFM还能完成测力工作，通过测量悬臂弯折度来确定针尖和试样的受力大小。

三种模式对比：

触击模式(ContactMode)：

优势：扫描速度快，是AFM在垂直方向发生明显变化的能得到“原子分辨率"图像的硬质样品，有时更适合用ContactMode扫描。

劣势：侧向力影响图像质量。由于样品表面的毛细作用，使得针尖和试样之间的粘附力非常强。侧向力和粘着力的联合作用使图象的空间分辨率下降，而针尖刮伤样品也会破坏软质样品(例如生物样品、聚合体等)。

不触击模式(Non-contactMode)：

好处：不需受试样面。

缺陷：由于针尖从试样上分离，横向分辨率较低；为避免与吸附层接触而造成针尖胶的粘连，扫描速度较慢。一般只在怕水的样品上使用，吸收液层必须薄，如果过厚，针尖就会落入液体层，造成反馈不稳定，刮擦试样。因为以上缺陷，non-contactMode的使用是有限的。

敲击模式(TappingMode)：

优势：可以很好地消除侧向力。减小了吸收液层所产生的成像分辨率高、适合观察软质、易碎、胶粘性的样品，不会对其表面造成损伤。

劣势：扫描速度比ContactMode慢。：

AFM优势：

AFM技术样品制备简便，甚至不需处理，对样品破坏性远小于其它常用方法。

AFM可以在包括空气、液体和真空在内的各种环境中工作，生物分子可以在生理条件下直接成像，也可以实时观测活细胞的运动状态。