AtomicForceMicroscope 原子力(li)(li)顯(xian)微鏡 ,AFM，是一種用于研(yan)究固體材(cai)料表面(mian)結構的分析儀。該系統利用探測(ce)被(bei)測(ce)樣(yang)品表面(mian)與(yu)微量(liang)力(li)(li)敏元件之間具有非常(chang)微弱(ruo)的原子間相互(hu)作用力(li)(li)，研(yan)究了物質(zhi)(zhi)的表面(mian)結構及其(qi)性質(zhi)(zhi)。把一對(dui)弱(ruo)力(li)(li)極敏感的微懸臂(bei)一端固定(ding)在一端，另一端的微小針尖靠近樣(yang)品，當與(yu)樣(yang)品相互(hu)作用時，作用力(li)(li)會使懸臂(bei)變(bian)(bian)形或改(gai)變(bian)(bian)運動(dong)狀(zhuang)態。用傳(chuan)感器對(dui)掃描(miao)樣(yang)品進行測(ce)量(liang)，可以得到力(li)(li)場(chang)分布的信(xin)(xin)息，從而獲得材(cai)料的納米尺度的表面(mian)結構信(xin)(xin)息和表面(mian)粗糙度信(xin)(xin)息。

運作方式：

AFM工作原理

在(zai)一(yi)(yi)端固定一(yi)(yi)端，另一(yi)(yi)端有(you)一(yi)(yi)小(xiao)針(zhen)(zhen)，針(zhen)(zhen)尖(jian)與(yu)試樣表(biao)(biao)面(mian)輕輕地接觸，對弱力(li)非常敏感(gan)。因為(wei)針(zhen)(zhen)尖(jian)尖(jian)原子與(yu)樣品表(biao)(biao)面(mian)原子之間存在(zai)很弱的(de)作(zuo)用(yong)力(li)，使得懸臂(bei)產生微小(xiao)的(de)偏轉。該方法(fa)通過對掃描各(ge)點位置(zhi)變(bian)化進行檢(jian)測，利用(yong)反饋控制其排(pai)斥力(li)的(de)恒定，實現了對掃描各(ge)點位置(zhi)變(bian)化的(de)測量(liang)，從而得到樣品表(biao)(biao)面(mian)形貌圖像。

運行方式：

AFM的(de)(de)工作方式按針尖和試樣(yang)的(de)(de)作用方式進行分(fen)類(lei)。觸擊(ji)(ji)式(contactmode)、不觸擊(ji)(ji)式(non-contactmode)和敲擊(ji)(ji)式(tappingmode)三種(zhong)操(cao)作方式。

AFM工作模(mo)式(shi)的研究。

觸點方式：

觸(chu)擊方式是AFM最直接(jie)的成像方式，從(cong)概(gai)念上(shang)理(li)解。在(zai)AFM掃描(miao)成像過程中，探針針尖和(he)試(shi)樣表(biao)面(mian)始終(zhong)保持緊密(mi)接(jie)觸(chu)，互相作(zuo)用為排斥力。由懸臂作(zuo)用于針尖的作(zuo)用力會(hui)破壞樣品的表(biao)面(mian)結構，從(cong)而(er)使掃描(miao)時所(suo)受(shou)的壓力范圍為10~10-6N。如果試(shi)樣表(biao)面(mian)柔軟，承(cheng)受(shou)不了這種作(zuo)用力，則不宜(yi)選擇接(jie)觸(chu)方式對(dui)試(shi)樣表(biao)面(mian)成像。

無觸點方式：

當懸臂(bei)在(zai)距樣(yang)(yang)(yang)品表(biao)面(mian)以上5~10nm的距離上振(zhen)動時(shi)，非接觸方式(shi)探(tan)測樣(yang)(yang)(yang)品表(biao)面(mian)。在(zai)這段時(shi)間(jian)內，試樣(yang)(yang)(yang)和(he)針(zhen)(zhen)(zhen)尖(jian)的相互作(zuo)用是由范德華力控(kong)制的，一般(ban)為(wei)10-12N，試樣(yang)(yang)(yang)不會被(bei)破壞，且針(zhen)(zhen)(zhen)尖(jian)不受(shou)污染，尤其適用于(yu)對柔軟物體的研究(jiu)。該運行方式(shi)的缺點是，該模式(shi)很難在(zai)室溫(wen)大氣環境中實現。由于(yu)試樣(yang)(yang)(yang)表(biao)面(mian)不可避免(mian)地會積聚一層水份，所以就在(zai)試樣(yang)(yang)(yang)和(he)針(zhen)(zhen)(zhen)尖(jian)之間(jian)搭起一小片(pian)毛細橋，使針(zhen)(zhen)(zhen)尖(jian)和(he)表(biao)面(mian)接觸，從而增(zeng)加針(zhen)(zhen)(zhen)頭對表(biao)面(mian)的壓力。

擊打方式：

擊(ji)打方式介于(yu)觸(chu)擊(ji)式與(yu)不觸(chu)擊(ji)式之(zhi)間(jian)，屬于(yu)雜化性概念。試(shi)樣(yang)(yang)表面(mian)上方的懸臂以共振頻率振蕩，而(er)針尖(jian)只是周期性地(di)與(yu)樣(yang)(yang)品表面(mian)接觸(chu)/撞(zhuang)擊(ji)。也就是說(shuo)，針尖(jian)與(yu)樣(yang)(yang)品接觸(chu)時，產(chan)生的側向力將(jiang)顯著降低(di)。所以，在對(dui)柔軟試(shi)樣(yang)(yang)進(jin)行檢測(ce)時，AFM敲擊(ji)方式是。當AFM開始對(dui)樣(yang)(yang)本(ben)進(jin)行成象掃描(miao)后，設備立即將(jiang)相關(guan)數據輸入系統，例如表面(mian)粗(cu)糙度(du)，平均高度(du)，峰谷頂點之(zhi)間(jian)的距離等，用(yong)于(yu)物體表面(mian)分析。此外(wai)，AFM還能完成測(ce)力工作(zuo)，通過(guo)測(ce)量懸臂彎折度(du)來(lai)確(que)定針尖(jian)和試(shi)樣(yang)(yang)的受力大小。

三種模式對比：

觸擊(ji)模式(ContactMode)：

優勢(shi)：掃(sao)描(miao)速度快(kuai)，是AFM在垂(chui)直方向發生(sheng)明顯變化的能(neng)得到(dao)“原子分辨率"圖像的硬質樣(yang)品，有時更適合(he)用ContactMode掃(sao)描(miao)。

劣勢：側向力(li)影響圖(tu)像(xiang)質量(liang)。由(you)于樣品(pin)(pin)表面的(de)毛細作(zuo)用，使(shi)得針(zhen)尖(jian)和試樣之間(jian)(jian)的(de)粘附力(li)非常強。側向力(li)和粘著力(li)的(de)聯合作(zuo)用使(shi)圖(tu)象的(de)空間(jian)(jian)分辨率下降，而針(zhen)尖(jian)刮傷樣品(pin)(pin)也會破壞(huai)軟質樣品(pin)(pin)(例如生物樣品(pin)(pin)、聚合體等(deng))。

不觸擊模(mo)式(Non-contactMode)：

好處：不需受試樣面。

缺陷：由于針(zhen)尖從試樣(yang)上(shang)分離(li)，橫向(xiang)分辨率較低；為避免與吸(xi)附層(ceng)接觸而造(zao)成(cheng)針(zhen)尖膠(jiao)的(de)粘(zhan)連，掃(sao)描速(su)度較慢。一般只(zhi)在怕水的(de)樣(yang)品上(shang)使用，吸(xi)收液(ye)層(ceng)必須薄，如果過厚，針(zhen)尖就(jiu)會(hui)落入(ru)液(ye)體層(ceng)，造(zao)成(cheng)反饋(kui)不穩定，刮擦試樣(yang)。因(yin)為以上(shang)缺陷，non-contactMode的(de)使用是有限的(de)。

敲擊模式(TappingMode)：

優勢：可以很好地消除(chu)側向力。減小了吸收液層(ceng)所產(chan)生(sheng)的成像分辨率高、適合觀察(cha)軟(ruan)質(zhi)、易碎(sui)、膠粘性(xing)的樣品(pin)，不會對其表面造成損傷。

劣勢(shi)：掃描速(su)度比ContactMode慢。：

AFM優勢：

AFM技術樣品(pin)制備(bei)簡便，甚至(zhi)不需處理(li)，對樣品(pin)破壞性遠小于其它常用方法。

AFM可(ke)以(yi)在(zai)包(bao)括空(kong)氣、液(ye)體(ti)和真(zhen)空(kong)在(zai)內的各種環境中工作，生(sheng)物分(fen)子可(ke)以(yi)在(zai)生(sheng)理條件下(xia)直接(jie)成像，也(ye)可(ke)以(yi)實時(shi)觀測活細(xi)胞的運動狀態。