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(cè)被測(cè)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(duì)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(duì)掃描樣品進(jìn)行測(cè)量，可以得到力場(chǎng)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(duì)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(guò)對(duì)掃描各點(diǎn)位置變化進(jìn)行檢測(cè)，利用反饋控制其排斥力的恒定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)掃描各點(diǎn)位置變化的測(cè)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(lèi)。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(guò)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(duì)試樣表面成像。

無(wú)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(cè)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(duì)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(duì)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(shuō)，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(duì)柔軟試樣進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，AFM敲擊方式是。當(dāng)AFM開(kāi)始對(duì)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(cè)力工作，通過(guò)測(cè)量懸臂彎折度來(lái)確定針尖和試樣的受力大小。

三種模式對(duì)比：

觸擊模式(ContactMode)：

優(yōu)勢(shì)：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(shì)：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(guò)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(shì)：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(duì)其表面造成損傷。

劣勢(shì)：掃描速度比ContactMode慢。：

AFM優(yōu)勢(shì)：

AFM技術(shù)樣品制備簡(jiǎn)便，甚至不需處理，對(duì)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(cè)活細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。