原子力显微镜（AFM）——基本原理及工作模式

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2020-10-27 环球过滤分离技术网  guolvfenlitech6

原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）是继扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope, STM）之后发明的一种具有原子级高分辨的新型测试仪器，其可以在大气和液体环境下对材料和样品进行物理性质的探测（如表面微观形貌）或进行直接纳米操纵。


AFM 起源

扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope, SPM）的两个分支，一个是扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope, STM），一个是原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）。
1981年，扫描隧道显微镜（STM）被发明，它是依靠量子理论中的隧穿效应，要求样品必须为导体，因此对于绝缘体的测试无能为力。随后在1985年，IBM公司苏黎世研究中心的Gerd Binnig与斯坦福大学的Calvin Quate发明了原子力显微镜（AFM），其原理不是利用电子的隧穿效应，可适用于绝缘体、半导体、导体等材料的测试表征，从而弥补了扫描隧道显微镜的不足，被认为是一种测试环境兼容；具有极高分辨率；样品制备简单的无损表面的测试分析手段。


布鲁克Dimension ICON原子力显微镜



AFM 原理

AFM原理：针尖与表面原子相互作用

所谓原子力显微镜，显然它的测试原理是和“原子力”有关的，也就是探针和样品表面原子之间的力的作用被检测并反馈输出信号。
探针尖端（<10 nm）的原子和样品表面原子之间的作用力会随二者之间距离的改变而改变，作用力和距离的具体关系如下图所示。




原子相互作用力与距离的关系

当原子距离很近时，电子云相互之间的排斥力会大于吸引力，整体表现为斥力作用。反之，当二者之间距离逐渐变大时，电子云斥力作用小于引力，则整体表现为引力作用。原子力显微镜正是捕捉了这样的关系，从而获取材料表面三维纳米尺度成像。
AFM结构简图

就使用AFM仪器上，简单来说，就是带有悬臂梁的探针扫过样品的表面，通过激光打在悬臂梁的背面采集探针的运动轨迹，实质上是基于一个物理量，通过采集和分析物理量，从而得到样品表面的不同信息。

AFM 模式
原子力显微镜一般有三种常用的工作模式：接触模式（Contact mode）、轻敲模式（Tapping mode）、峰值力模式（Peak force tapping），非接触模式操作条件要求较高。下面分别介绍一下他们的优缺点与适合测什么样的样品。



（1）接触模式（Contact mode）

在这种模式下探针与样品表面是直接接触的，依靠悬臂梁的偏转对样品表面形貌进行记录，如下图所示。

原子力显微镜中的接触模式

Mironov V. L. Fundamentals of Scanning Probe Microscopy. Russia, 2004

    优点：

扫描速度快

原子级分辨率高

也适用于粗糙样品

     缺点：

由于探针和样品直接接触，已磨损针尖和损坏样品表面

降低空间分辨率

不适用于聚合物等较软的样品



（2）轻敲模式（Tapping mode）

在这种模式下，悬臂梁接近表面，强迫悬臂梁振荡的振幅在10-100 nm的共振频率附近被激发，因此在较低的半振荡中，尖端与样品表面接触。扫描记录了悬臂梁的振幅和相位的变化。在这种“半接触”的模式下，悬臂与表面的相互作用包括范德华力和接触过程中附加的弹性力，如下图所示。


原子力显微镜中的轻敲模式

Mironov V. L. Fundamentals of Scanning Probe Microscopy. Russia, 2004




    优点：

消除了侧向力的影响

图像分辨率高

不损坏样品表面

     缺点：

扫描速度慢

不适用观察太软、脆、粘的样品



（3）峰值力轻敲模式（Peak Force Tapping mode）

这种模式是由Bruker公司发明出的一项原子力显微镜(AFM)技术领域的重大科学突破。它的工作模式是探针在样品表面上特定的位置进行接触和抬起，这样在接近和抬高的过程做出原子间相互作用的力曲线，根据曲线的峰值作为判断的标准。

原子力显微镜中的峰值力轻敲模式

    优点：

精确地控制探头与样品之间的相互作用

几乎适用于所用样品，从最软的生物样品到非常硬的材料

对样品表面损伤小

     缺点：

相比接触模式扫描速度较慢

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