原子力顯微鏡的功能和原理

AtomicForceMicroscope 原子力顯微鏡 ,AFM，是一種用于研究固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀。該系統(tǒng)利用探測被測樣品表面與微量力敏元件之間具有非常微弱的原子間相互作用力，研究了物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)。把一對弱力極敏感的微懸臂一端固定在一端，另一端的微小針尖靠近樣品，當(dāng)與樣品相互作用時(shí)，作用力會(huì)使懸臂變形或改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。用傳感器對掃描樣品進(jìn)行測量，可以得到力場分布的信息，從而獲得材料的納米尺度的表面結(jié)構(gòu)信息和表面粗糙度信息。

運(yùn)作方式：

AFM工作原理

在一端固定一端，另一端有一小針，針尖與試樣表面輕輕地接觸，對弱力非常敏感。因?yàn)獒樇饧庠优c樣品表面原子之間存在很弱的作用力，使得懸臂產(chǎn)生微小的偏轉(zhuǎn)。該方法通過對掃描各點(diǎn)位置變化進(jìn)行檢測，利用反饋控制其排斥力的恒定，實(shí)現(xiàn)了對掃描各點(diǎn)位置變化的測量，從而得到樣品表面形貌圖像。

運(yùn)行方式：

AFM的工作方式按針尖和試樣的作用方式進(jìn)行分類。觸擊式(contactmode)、不觸擊式(non-contactmode)和敲擊式(tappingmode)三種操作方式。

AFM工作模式的研究。

觸點(diǎn)方式：

觸擊方式是AFM最直接的成像方式，從概念上理解。在AFM掃描成像過程中，探針針尖和試樣表面始終保持緊密接觸，互相作用為排斥力。由懸臂作用于針尖的作用力會(huì)破壞樣品的表面結(jié)構(gòu)，從而使掃描時(shí)所受的壓力范圍為10~10-6N。如果試樣表面柔軟，承受不了這種作用力，則不宜選擇接觸方式對試樣表面成像。

無觸點(diǎn)方式：

當(dāng)懸臂在距樣品表面以上5~10nm的距離上振動(dòng)時(shí)，非接觸方式探測樣品表面。在這段時(shí)間內(nèi)，試樣和針尖的相互作用是由范德華力控制的，一般為10-12N，試樣不會(huì)被破壞，且針尖不受污染，尤其適用于對柔軟物體的研究。該運(yùn)行方式的缺點(diǎn)是，該模式很難在室溫大氣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。由于試樣表面不可避免地會(huì)積聚一層水份，所以就在試樣和針尖之間搭起一小片毛細(xì)橋，使針尖和表面接觸，從而增加針頭對表面的壓力。

擊打方式：

擊打方式介于觸擊式與不觸擊式之間，屬于雜化性概念。試樣表面上方的懸臂以共振頻率振蕩，而針尖只是周期性地與樣品表面接觸/撞擊。也就是說，針尖與樣品接觸時(shí)，產(chǎn)生的側(cè)向力將顯著降低。所以，在對柔軟試樣進(jìn)行檢測時(shí)，AFM敲擊方式是。當(dāng)AFM開始對樣本進(jìn)行成象掃描后，設(shè)備立即將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，例如表面粗糙度，平均高度，峰谷頂點(diǎn)之間的距離等，用于物體表面分析。此外，AFM還能完成測力工作，通過測量懸臂彎折度來確定針尖和試樣的受力大小。

三種模式對比：

觸擊模式(ContactMode)：

優(yōu)勢：掃描速度快，是AFM在垂直方向發(fā)生明顯變化的能得到“原子分辨率”圖像的硬質(zhì)樣品，有時(shí)更適合用ContactMode掃描。

劣勢：側(cè)向力影響圖像質(zhì)量。由于樣品表面的毛細(xì)作用，使得針尖和試樣之間的粘附力非常強(qiáng)。側(cè)向力和粘著力的聯(lián)合作用使圖象的空間分辨率下降，而針尖刮傷樣品也會(huì)破壞軟質(zhì)樣品(例如生物樣品、聚合體等)。

不觸擊模式(Non-contactMode)：

好處：不需受試樣面。

缺陷：由于針尖從試樣上分離，橫向分辨率較低；為避免與吸附層接觸而造成針尖膠的粘連，掃描速度較慢。一般只在怕水的樣品上使用，吸收液層必須薄，如果過厚，針尖就會(huì)落入液體層，造成反饋不穩(wěn)定，刮擦試樣。因?yàn)橐陨先毕?，non-contactMode的使用是有限的。

敲擊模式(TappingMode)：

優(yōu)勢：可以很好地消除側(cè)向力。減小了吸收液層所產(chǎn)生的成像分辨率高、適合觀察軟質(zhì)、易碎、膠粘性的樣品，不會(huì)對其表面造成損傷。

劣勢：掃描速度比ContactMode慢。：

AFM優(yōu)勢：

AFM技術(shù)樣品制備簡便，甚至不需處理，對樣品破壞性遠(yuǎn)小于其它常用方法。

AFM可以在包括空氣、液體和真空在內(nèi)的各種環(huán)境中工作，生物分子可以在生理?xiàng)l件下直接成像，也可以實(shí)時(shí)觀測活細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。