原子力顯微鏡 (AFM) 是一種高分辨率形式的掃描探針顯微鏡，也稱為掃描力顯微鏡 (SFM)。該儀器使用末端帶有尖銳尖端的懸臂掃描樣品表面. 當探針掃描樣品表面時，針尖和樣品之間的吸引力或排斥力通常以范德華力的形式存在，但也可以是其他一些形式，例如靜電和疏水性/親水性，導致懸臂偏轉(zhuǎn)，?偏轉(zhuǎn)由激光測量從懸臂反射到光電二極管中。隨著其中一個光電二極管收集更多的光，它會產(chǎn)生一個經(jīng)過處理的輸出信號，并提供有關懸臂垂直彎曲的信息。然后將此數(shù)據(jù)發(fā)送到掃描儀，該掃描儀控制探頭在表面上移動時的高度。然后可以使用掃描儀應用的高度變化來生成樣品的三維地形圖。

原子力顯微鏡 (AFM) 裝置的簡單示意圖

接觸模式

接觸模式方法通過保持恒定的尖端偏轉(zhuǎn)來利用恒定力進行尖端-樣品相互作用. 尖端通過反饋回路傳達探針在表面具有的相互作用的性質(zhì)，并且掃描儀移動整個探針以保持懸臂的原始偏轉(zhuǎn)。恒力是通過使用胡克定律計算和維持的，該等式涉及力 (F)、彈簧常數(shù) (k) 和懸臂偏轉(zhuǎn) (x)。力常數(shù)通常在 0.01 到 1.0 N/m 之間。接觸模式通常具有最快的掃描時間，但會使樣品表面變形。它也是唯一可以達到“原子分辨率”的模式。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 接觸模式下探針與表面相互作用的示意圖。

敲擊模式

在輕敲模式下，懸臂以其基本共振頻率進行外部振蕩。?當探頭掃描整個表面時，懸臂頂部的壓電體用于調(diào)整振蕩幅度。測量由于探頭和表面之間的相互作用而導致的振蕩頻率或振幅的偏差，并提供有關樣品中存在的表面或材料類型的信息。這種方法比接觸 AFM 更溫和，因為尖端不會在表面上拖動，但它確實需要更長的掃描時間。它還傾向于提供比接觸 AFM 更高的橫向分辨率。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ?敲擊模式下的探頭和表面相互作用圖。

非接觸模式

對于非接觸模式，懸臂梁在其共振頻率之上振蕩，并且隨著尖端接近表面并經(jīng)歷與材料相關的力，該頻率會降低. 當振蕩頻率或振幅保持恒定時，測量尖端到樣品的平均距離，然后可用于對表面成像。這種方法對樣品施加的力很小，從而延長了尖端的使用壽命。但是，除非置于強真空下，否則通常無法提供很好的分辨率。

? ? ? ? ? ? ? ? 非接觸模式下的探針和表面相互作用圖。

缺陷

AFM 圖像中常見的問題是存在偽影，這些偽影是實際形貌的扭曲，通常是由于探頭、掃描儀或圖像處理的問題。AFM 掃描緩慢，這使得它更容易受到外部溫度波動的影響，從而導致熱漂移。

如果AFM針尖不是非常鋒利，可能無法提供最佳縱橫比，從而導致真實形貌的卷積。這會導致特征顯得太大或太小，因為探針的寬度不能精確地圍繞表面上的顆粒和孔移動。正是出于這個原因，具有較小曲率半徑的針尖可提供更好的成像分辨率。如果針尖變鈍或破損，也會產(chǎn)生錯誤的圖像和對比度差的圖像。

由于懸臂的移動，表面上的粒子移動會產(chǎn)生噪聲，從而在圖像中形成條紋或條帶。與被掃描表面相比，針尖比例不合適也可能造成偽影。正是出于這個原因，針對特定應用使用理想的探頭非常重要。

樣本量和準備

樣本大小因儀器而異，但典型大小為 8 毫米 x 8 毫米，典型高度為 1 毫米。固體樣品給 AFM 帶來了問題，因為針尖在掃描表面時會移動材料。溶液或分散體最適合應用盡可能均勻的材料層，以獲得最準確的顆粒高度值。這通常是通過將溶液旋涂到新切割的云母上來完成的，這樣一旦云母干燥，顆粒就會粘附在表面上。

原子力顯微鏡的應用

AFM 在其應用中特別通用，因為它可以在環(huán)境溫度和許多不同的環(huán)境中使用。它可用于許多不同領域，以分析不同種類的樣品，例如半導體、聚合物、納米顆粒、生物技術(shù)和細胞等。AFM 最常見的應用是形態(tài)學研究，以了解樣品的形貌。由于材料通常處于溶液中，AFM 還可以讓用戶了解材料的分散能力以及該分散體中顆粒的均勻性。它還可以提供有關所研究粒子的大量信息，例如粒子大小、表面積、電氣特性和化學成分。某些技巧能夠確定主要機械，材料的磁、電特性。例如，在磁力顯微鏡 (MFM) 中，探針具有磁性涂層，可感應與表面的磁性、靜電和原子相互作用。這種類型的掃描可以在靜態(tài)或動態(tài)模式下執(zhí)行，并描繪表面的磁性結(jié)構(gòu)。

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