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最新 06-04

本文經授權轉載自：EWG1990，如需轉載，請聯繫原作者授權。

原子力顯微鏡（AFM）知識匯總

第一塊基本知識和原理

原子力顯微鏡（atomic force microscope，簡稱AFM）是一種納米級高分辨的掃描探針顯微鏡。原子力顯微鏡通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質的表面結構及性質。

將一對微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發生形變或運動狀態發生變化。掃描樣品時，利用感測器檢測這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級解析度獲得表面形貌結構信息及表面粗糙度信息。

原子力顯微鏡具有許多優點：

① 不同於電子顯微鏡只能提供二維圖像，AFM提供真正的三維表面圖；

② AFM不需要對樣品的任何特殊處理，不會對樣品會造成不可逆轉的傷害；

③ 電子顯微鏡需要運行在高真空條件下，原子力顯微鏡在常壓下甚至在液體環境下都可以良好工作，這樣可以用來研究生物宏觀分子，甚至活的生物組織。

視頻 | 原子力顯微鏡原理

（厲害了，我的原子力顯微鏡！）

第二塊工作模式

原子力顯微鏡的工作模式有三種，分別為接觸模式(Contact Mode)、非接觸模式(Non-contact Mode)和輕敲模式(Tapping Mode)。

① 接觸模式(Contact Mode)

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接觸模式示意圖

利用探針的針尖與待測物表面之原子力交互作用，探針與樣品表面緊密接觸並在表面上滑動。使非常軟的探針臂產生偏折，此時用特殊微小的雷射光照射探針臂背面，被探針臂反射的雷射光以二相的雷射光相位偵檢器（photo diode）來記錄雷射光被探針臂偏移的變化。

接觸模式的優點是掃描速度快，解析度高，是AFM技術中唯一可得到原子級解析度的圖像的模式，並且對於一些表面上垂直變化較大的樣品，比較容易掃描。但由於針尖在樣品表面上滑動及樣品表面與針尖的粘附力，可能使得針尖受到損害，樣品產生變形，故對不易變形的低彈性樣品存在缺點，並且其應切力會使圖像產生扭曲。

② 非接觸模式(Non-contact Mode)

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非接觸模式示意圖

非接觸模式是探針針尖始終不與樣品表面接觸，在樣品表面上方5～20 nm 距離內掃描。針尖與樣品之間的距離是通過保持微懸臂共振頻率或振幅恆定來控制的。在這種模式中，樣品與針尖之間的相互作用力是吸引力——范德華力。非接觸模式AFM 的工作原理就是，以略大於微懸臂自由共振頻率的頻率驅動微懸臂，當針尖接近樣品表面時，微懸臂的振幅顯著減小。振幅的變化量對應於作用在微懸臂上的力梯度，因此對應於針尖-樣品間距，反饋系統通過調整針尖- 樣品間距使得微懸臂的振動幅度在掃描過程中保持不變，就可以得到樣品的表面形貌像。

非接觸模式的優點是針尖不與樣品接觸，所以對樣品完全沒有損傷，且由於吸引力小於排斥力，針尖-樣品作用力比接觸式的小几個數量級，故靈敏度比接觸模式高。但是非接觸模式中針尖-樣品距離較大，解析度比接觸模式低。非接觸模式不適用於在液體中成像。並且掃描速度比接觸模式和輕敲模式都要慢。

③ 輕敲模式(Tapping Mode)

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輕敲模式示意圖

在輕敲模式中，通過調製壓電陶瓷驅動器使帶針尖的微懸臂以某一高頻的共振頻率和0.01～1nm 的振幅在 Z 方向上共振。當針尖沒有接觸到表面時，微懸臂以一定的大振幅振動，當針尖接近表面直至輕輕接觸表面時，其振幅將減小；而當針尖反向遠離表面時，振幅又恢復到原先的大小。同時反饋系統通過調整樣品與針尖間距來控制微懸臂振幅與相位，使得作用在樣品上的力保持恆定，記錄樣品的上下移動情況即在 Z 方向上掃描器的移動情況來獲得圖像。

輕敲模式的優點是對大多數樣品有比較高的側向分標率(1-5nm)，並且由於微懸臂的高頻振動，使得針尖與樣品之間頻繁接觸的時間相當短，針尖與樣品可以接觸，也可以不接觸，且有足夠的振幅來克服樣品與針尖之間的粘附力。因此對樣品的損害很小，適用於柔軟、易脆和粘附性較強的樣品，且不對它們產生破壞。這種模式在高分子聚合物的結構研究和生物大分子的結構研究中應用廣泛。其缺點是掃描速度比接觸模式要慢。

第三塊儀器使用