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AFM機(jī)器

什么是原子力顯微鏡（AFM）？

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope ，AFM），通過(guò)檢測(cè)待測(cè)樣品表面和一個(gè)微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來(lái)研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，可以在大氣和液體環(huán)境下對(duì)各種材料和樣品進(jìn)行納米區(qū)域的物理性質(zhì)包括形貌進(jìn)行探測(cè)，或者直接進(jìn)行納米操縱。

AFM現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、納米功能材料、化工、生物研究和科研院所各種納米相關(guān)學(xué)科的研究實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域中，成為納米科學(xué)研究的基本工具。為了讓小伙伴們對(duì)AFM有快速、全面的了解，我們特意準(zhǔn)備了“AFM超級(jí)干貨”，共分為工作原理、成像模式、制樣要求、軟件操作及圖像處理、經(jīng)驗(yàn)干貨和實(shí)際應(yīng)用六部分進(jìn)行介紹，希望能對(duì)材料人們的研究工作提供幫助，助力大家迅速成長(zhǎng)為AFM達(dá)人。

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【AFM工作原理】

如下圖所示，當(dāng)針尖接近樣品時(shí)，針尖受到力的作用使懸臂發(fā)生偏轉(zhuǎn)或振幅改變。懸臂的這種變化經(jīng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)后轉(zhuǎn)變成電信號(hào)傳遞給反饋系統(tǒng)和成像系統(tǒng)，記錄掃描過(guò)程中一系列探針變化就可以獲得樣品表面信息圖像。

AFM工作原理示意圖

假設(shè)兩個(gè)原子一個(gè)是在懸臂的探針尖端，另一個(gè)是在樣本的表面，它們之間的作用力會(huì)隨距離的改變而變化，其作用力與距離的關(guān)系如下圖所示，當(dāng)原子與原子很接近時(shí)，彼此電子云斥力的作用大于原子核與電子云之間的吸引力作用，所以整個(gè)合力表現(xiàn)為斥力的作用，反之若兩原子分開(kāi)有一定距離時(shí)，其電子云斥力的作用小于彼此原子核與電子云之間的吸引力作用，故整個(gè)合力表現(xiàn)為引力的作用。原子力顯微鏡就是利用原子之間微妙的關(guān)系來(lái)把原子樣子給呈現(xiàn)出來(lái)。

AFM工作原理示意圖

【AFM成像模式】

原子力顯微鏡有三種基本成像模式，它們分別是接觸式(Contact mode)、非接觸式(non-contact mode)、輕敲式(tapping mode)。

1、接觸式

AFM工作原理示意圖

接觸式AFM是一個(gè)排斥性的模式，探針尖端和樣品做柔軟性的“實(shí)際接觸”，當(dāng)針尖輕輕掃過(guò)樣品表面時(shí)，接觸的力量引起懸臂彎曲，進(jìn)而得到樣品的表面圖形。由于是接觸式掃描，在接觸樣品時(shí)可能會(huì)是樣品表面彎曲。經(jīng)過(guò)多次掃描后，針尖或者樣品有鈍化現(xiàn)象。

特點(diǎn)：通常情況下，接觸模式都可以產(chǎn)生穩(wěn)定的、分辨率高的圖像。但由于針尖在樣品表面上滑動(dòng)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(chǎn)生變形，故對(duì)不易變形的低彈性樣品存在缺點(diǎn)，不適用于研究生物大分子、低彈性模量樣品以及容易移動(dòng)和變形的樣品。

2、非接觸式

AFM工作原理示意圖

在非接觸模式中，針尖在樣品表面的上方振動(dòng)，始終不與樣品接觸，探測(cè)器檢測(cè)的是范德華作用力和靜電力等對(duì)成像樣品沒(méi)有破壞的長(zhǎng)程作用力。需要使用較堅(jiān)硬的懸臂（防止與樣品接觸）。所得到的信號(hào)更小，需要更靈敏的裝置，這種模式雖然增加了顯微鏡的靈敏度，但當(dāng)針尖和樣品之間的距離較長(zhǎng)時(shí)，分辨率要比接觸模式和輕敲模式都低。

特點(diǎn)：由于為非接觸狀態(tài)，對(duì)于研究柔軟或有彈性的樣品較佳，而且針尖或者樣品表面不會(huì)有鈍化效應(yīng)，不過(guò)會(huì)有誤判現(xiàn)象。這種模式的操作相對(duì)較難，通常不適用于在液體中成像，在生物中的應(yīng)用也很少。

3、輕敲式

微懸臂在其共振頻率附近做受迫振動(dòng)，振蕩的針尖輕輕的敲擊表面，間斷地和樣品接觸。當(dāng)針尖與樣品不接觸時(shí)，微懸臂以最大振幅自由振蕩。當(dāng)針尖與樣品表面接觸時(shí)，盡管壓電陶瓷片以同樣的能量激發(fā)微懸臂振蕩，但是空間阻礙作用使得微懸臂的振幅減小。反饋系統(tǒng)控制微懸臂的振幅恒定，針尖就跟隨表面的起伏上下移動(dòng)獲得形貌信息。

AFM工作原理示意圖

特點(diǎn)：對(duì)樣品的損害很小，適用于柔軟、易脆和粘附性較強(qiáng)的樣品，且不對(duì)它們產(chǎn)生破壞。這種模式在高分子聚合物的結(jié)構(gòu)研究和生物大分子的結(jié)構(gòu)研究中應(yīng)用廣泛。其缺點(diǎn)是掃描速度比接觸模式要慢。

AFM工作原理示意圖

【AFM制樣要求】

1）AFM制樣對(duì)樣品導(dǎo)電與否沒(méi)有要求，可以很平也可以不那么平，對(duì)表面光潔度有一定要求，測(cè)量范圍比較廣泛。

2）適用于多種環(huán)境，可在真空，空氣和溶液中進(jìn)行。

AFM工作原理示意圖

【AFM軟件操作及圖像處理】

AFM工作原理示意圖

【AFM經(jīng)驗(yàn)干貨】

AFM工作原理示意圖

【AFM實(shí)際應(yīng)用】

AFM工作原理示意圖

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