原子力顯微鏡的優缺點及其3種操作模式介紹

原子力顯微鏡是顯微鏡中的一種類型，應用范圍十分廣泛。原子力顯微鏡是一種可用來研究包括絕緣體在內的固體材料表面結構的分析儀器。原子力顯微鏡(AFM)能夠在大氣及液體環境下準確地觀測樣品表面微區(納米及微米尺度)三維形貌；同時可對樣品表面物理化學特性進行研究，能測試多種材料如纖維材料、膜材料、生物材料、地質有機質、高分子材料等非金屬材料以及金屬材料、復合材料的多種物性。包括表面組分區別、溫度、表面電勢、磁場力、靜電力、摩擦力和其他相互作用力的測量。

 

原子力顯微鏡的優缺點介紹：

 

優點：相對于掃描電子顯微鏡，原子力顯微鏡具有許多優點。不同于電子顯微鏡只能提供二維圖像，AFM提供真正的三維表面圖。同時，AFM不需要對樣品的任何特殊處理，如鍍銅或碳，這種處理對樣品會造成不可逆轉的傷害。第三，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。原子力顯微鏡與掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope）相比，由于能觀測非導電樣品，因此具有更為廣泛的適用性。當前在科學研究和工業界廣泛使用的掃描力顯微鏡，其基礎就是原子力顯微鏡。

 

缺點：和掃描電子顯微鏡(SEM）相比，AFM的缺點在于成像范圍太小，速度慢，受探頭的影響太大。

 

原子力顯微鏡的工作模式是以針尖與樣品之間的作用力的形式來分類的。主要有以下3種操作模式：接觸模式、非接觸模式和敲擊模式。

 

1、接觸模式

 

從概念上來理解，接觸模式是AFM最直接的成像模式。正如名字所描述的那樣，AFM在整個掃描成像過程之中，探針針尖始終與樣品表面保持緊密的接觸，而相互作用力是排斥力。掃描時，懸臂施加在針尖上的力有可能破壞試樣的表面結構，因此力的大小范圍在10-10～10-6N。若樣品表面柔嫩而不能承受這樣的力，便不宜選用接觸模式對樣品表面進行成像。

 

2、非接觸模式

 

非接觸模式探測試樣表面時懸臂在距離試樣表面上方5～10nm的距離處振蕩。這時，樣品與針尖之間的相互作用由范德華力控制，通常為10-12N，樣品不會被破壞，而且針尖也不會被污染，特別適合于研究柔嫩物體的表面。這種操作模式的不利之處在于要在室溫大氣環境下實現這種模式十分困難。因為樣品表面不可避免地會積聚薄薄的一層水，它會在樣品與針尖之間搭起一小小的毛細橋，將針尖與表面吸在一起，從而增加頂端對表面的壓力。

 

3、敲擊模式

 

敲擊模式介于接觸模式和非接觸模式之間，是一個雜化的概念。懸臂在試樣表面上方以其共振頻率振蕩，針尖僅僅是周期性地短暫地接觸/敲擊樣品表面。這就意味著針尖接觸樣品時所產生的側向力被明顯地減小了。因此當檢測柔嫩的樣品時，AFM的敲擊模式是理想的選擇之一。一旦AFM開始對樣品進行成像掃描，裝置隨即將有關數據輸入系統，如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰頂之間的最大距離等，用于物體表面分析。同時，AFM還可以完成力的測量工作，測量懸臂的彎曲程度來確定針尖與樣品之間的作用力大小。