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(dāng)探針掃描樣品表面時(shí)，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(dǎo)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(gè)光電二極管收集更多的光，它會產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)過處理的輸出信號，并提供有關(guān)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(shí)的高度。然后可以使用掃描儀應(yīng)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(jìn)行尖端-樣品相互作用. 尖端通過反饋回路傳達(dá)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(gè)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(jì)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(shí)間，但會使樣品表面變形。它也是唯一可以達(dá)到“原子分辨率”的模式。

F = ?kX

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(jìn)行外部振蕩。 當(dāng)探頭掃描整個(gè)表面時(shí)，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(dǎo)致的振蕩頻率或振幅的偏差，并提供有關(guān)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?yàn)榧舛瞬粫诒砻嫔贤蟿?，但它確實(shí)需要更長的掃描時(shí)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(guān)的力，該頻率會降低. 當(dāng)振蕩頻率或振幅保持恒定時(shí)，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(qiáng)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(shí)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(dǎo)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(dǎo)致真實(shí)形貌的卷積。這會導(dǎo)致特征顯得太大或太小，因?yàn)樘结樀膶挾炔荒芫_地圍繞表面上的顆粒和孔移動。正是出于這個(gè)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(cuò)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(gè)原因，針對特定應(yīng)用使用理想的探頭非常重要。

樣本量和準(zhǔn)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?yàn)獒樇庠趻呙璞砻鏁r(shí)會移動材料。溶液或分散體最適合應(yīng)用盡可能均勻的材料層，以獲得最準(zhǔn)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。

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