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AFM原子力顯微鏡的幾種工作模式及比較

來源：時(shí)間：2024-11-07 09:42:05 瀏覽：310次

AFM原子力顯微鏡的幾種工作模式及比較

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy, AFM）是一種具有高分辨率和高精度的掃描探針顯微術(shù)，它能夠通過探測(cè)樣品表面與探針之間的相互作用力來獲得表面的三維形貌和物理特性；AFM的工作模式多樣，不同的工作模式適用于不同的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。

一、接觸模式（Contact Mode）

接觸模式是最早開發(fā)的AFM工作模式。在這種模式下，探針尖端與樣品表面保持接觸，并通過探針與樣品之間的相互作用力來維持恒定的偏置力；當(dāng)探針在樣品表面掃描時(shí)，懸臂梁的彎曲或振動(dòng)會(huì)被檢測(cè)器記錄下來，從而得到表面的形貌信息。

1. 工作原理：懸臂梁帶有探針，當(dāng)探針接觸樣品表面時(shí)，由于相互作用力，懸臂梁會(huì)發(fā)生彎曲；通過維持懸臂梁的彎曲恒定，可以保持探針與樣品之間的力恒定；懸臂梁的振動(dòng)被激光束檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換為表面形貌圖。

2. 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單易操作，成像速度快；分辨率高，適用于硬質(zhì)和相對(duì)平整的樣品。

3. 缺點(diǎn)：探針與樣品的接觸可能會(huì)對(duì)軟質(zhì)或易損傷的樣品造成損壞；在掃描過程中可能會(huì)產(chǎn)生摩擦力，影響圖像質(zhì)量。

二、非接觸模式（Non-contact Mode）

非接觸模式也稱為輕敲模式（Tapping Mode），在這種模式下，探針尖端在樣品表面上方以一定的頻率振動(dòng)，并在不接觸樣品表面的情況下進(jìn)行掃描。

1. 工作原理：探針以一定的頻率和振幅在樣品表面上方振動(dòng)，當(dāng)探針接近樣品表面時(shí)，由于相互作用力的變化，振動(dòng)的振幅和相位會(huì)發(fā)生變化；通過檢測(cè)這些變化，可以得到樣品表面的形貌信息。

2. 優(yōu)點(diǎn)：減少了探針與樣品之間的摩擦和磨損，適用于軟質(zhì)或易損傷的樣品；提供了較高的成像分辨率和表面細(xì)節(jié)。

3. 缺點(diǎn)：成像速度相對(duì)較慢，對(duì)探針的質(zhì)量和操作技巧要求較高。

三、力調(diào)制模式（Force Modulation Mode）

力調(diào)制模式是一種在接觸模式下進(jìn)行的變體，它通過施加一個(gè)小的交流力來探測(cè)樣品的力學(xué)性質(zhì)。

1. 工作原理：在接觸模式下，探針尖端與樣品表面接觸，并施加一個(gè)小的交流力；通過檢測(cè)交流力引起的懸臂梁振動(dòng)的振幅和相位變化，可以得到樣品的彈性、粘彈性等力學(xué)信息。

2. 優(yōu)點(diǎn)：可以同時(shí)獲得樣品的形貌和力學(xué)性質(zhì)信息；適用于研究軟物質(zhì)和生物樣品的力學(xué)特性。

3. 缺點(diǎn)：對(duì)操作者的技術(shù)和儀器的要求較高；成像速度較慢。

四、液體環(huán)境下的AFM（Liquid AFM）

液體環(huán)境下的AFM是在常規(guī)AFM的基礎(chǔ)上，將樣品浸入液體中進(jìn)行的成像。

1. 工作原理：將樣品和探針浸入液體中，探針在液體環(huán)境中進(jìn)行掃描；通過探測(cè)探針與樣品之間的相互作用力，可以得到樣品在液體環(huán)境下的形貌和性質(zhì)。

2. 優(yōu)點(diǎn)：適用于研究生物樣品、化學(xué)反應(yīng)過程和液體界面現(xiàn)象；可以在接近生理環(huán)境的條件下進(jìn)行成像。

3. 缺點(diǎn)：液體環(huán)境下的成像控制較為復(fù)雜，液體中的布朗運(yùn)動(dòng)可能會(huì)影響成像質(zhì)量。

五、比較

接觸模式和非接觸模式的主要區(qū)別在于探針與樣品之間的接觸狀態(tài)；接觸模式適用于硬質(zhì)樣品，而非接觸模式適用于軟質(zhì)樣品；力調(diào)制模式在接觸模式的基礎(chǔ)上增加了力學(xué)性質(zhì)探測(cè)的功能，適用于需要了解樣品力學(xué)性質(zhì)的研究；液體環(huán)境下的AFM為研究生物樣品和液體界面現(xiàn)象提供了可能，但操作難度較大。

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