主要功能及特色:

原子力顯微鏡（atomic force microscope，簡(jiǎn)稱AFM）利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細(xì)探針受品原子之間的作用力，從而達(dá)到檢測(cè)的目的，具有原子級(jí)的分辨率。 原子力顯微鏡是一種可用來(lái)研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器，研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，以納米級(jí)分辨率獲得表面結(jié)構(gòu)信息。

原子力顯微鏡AFM的關(guān)鍵組成部分是一個(gè)頭上帶有一個(gè)用來(lái)掃描樣品表面的尖細(xì)探針的微觀懸臂。這種懸臂大小在十至百微米，通常由硅或者氮化硅構(gòu)成，其上有探針，探針之尖端的曲率半徑在納米量級(jí)。當(dāng)在恒定高度掃描時(shí)，探頭很有可能撞到表面的造成損傷。所以通常會(huì)通過(guò)反饋系統(tǒng)來(lái)維持。

基本原理：利用微小探針“摸索”樣品表面來(lái)獲得信息

原子力顯微鏡是利用探針和樣品間原子作用力的關(guān)系來(lái)得知樣品的表面形貌。在原子力顯微鏡AFM中，微懸臂的一端固定，另一端帶有一微小針尖，微懸臂的長(zhǎng)度通常在幾個(gè)微米到幾十個(gè)微米之間，針尖的直徑則通常在幾個(gè)納米到幾十個(gè)納米之間。AFM工作時(shí)，針尖與樣品表面輕輕接觸，針尖和樣品之間的相互作用力會(huì)使微懸臂發(fā)生形變或振動(dòng)。這個(gè)相互作用力可以是范德華力、靜電力、磁力等。通過(guò)檢測(cè)微懸臂的形變或振動(dòng)，可以推斷出樣品表面的形貌和物理性質(zhì)。

AFM的應(yīng)用非常廣泛，可以用于研究各種材料和樣品的表面形貌和物理性質(zhì)，如金屬、半導(dǎo)體、陶瓷、高分子、生物分子等。此外，AFM還可以用于納米操縱，如納米加工、納米組裝等。

作用力與距離的關(guān)系和原子力顯微鏡的工作原理

AFM有三種基本成像模式：

1. 接觸式（Contact mode）：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。這種模式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（Non-contact mode）：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)成像樣品沒有破壞的長(zhǎng)程作用力。

3. 輕敲式（Tapping mode）：輕敲式模式中，針尖以一定的頻率和振幅在樣品表面振動(dòng)，始終不與樣品接觸。探測(cè)器檢測(cè)的是針尖受迫振動(dòng)時(shí)的共振頻率和振幅變化，從而獲得樣品的表面形貌信息。

經(jīng)敲擊式后探針的尖端損耗

為兩種不同操作模式下得到的照片

樣品前處理：

粉末樣品制備：粉末樣品的制備常用的是膠紙法，先把兩面膠紙粘貼在樣品座上，然后把粉末撒到膠紙上，吹去為粘貼在膠紙上的多余粉末即可。

塊狀樣品制備：玻璃、陶瓷及晶體等固體樣品需要拋光，注意固體樣品表面的粗糙度。

液體樣品制備：液體樣品的濃度不能太高，否則粒子團(tuán)聚會(huì)損傷針尖。(納米顆粒：納米粉末分散到溶劑中，越稀越好，然后涂于云母片或硅片上，手動(dòng)滴涂或用旋涂機(jī)旋涂均可，并自然晾干)

AFM應(yīng)用

（1）表面形貌和粗糙度

AFM可以用來(lái)通過(guò)探針與樣品間的作用力來(lái)表征材料表面的形貌，這是其最基礎(chǔ)的功能。通過(guò)分析形貌圖，我們可以得到材料表面的粗糙度、顆粒度、平均梯度、孔結(jié)構(gòu)、孔徑分布以及納米顆粒尺寸等信息。這些信息對(duì)于材料表面的物理化學(xué)性質(zhì)以及材料的性能都有重要的影響。因此，AFM在材料科學(xué)、表面科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

圖1 鈣鈦礦的2D 圖像

圖1 鈣鈦礦的3D圖像

（2）高度和厚度

在測(cè)量溝槽或臺(tái)階的深度、高度或?qū)挾葧r(shí)，SEM需要進(jìn)行切割材料以暴露截面才能進(jìn)行測(cè)量，而AFM則無(wú)需進(jìn)行破壞性操作，能夠無(wú)損地進(jìn)行測(cè)量。在垂直方向的測(cè)量分辨率方面，AFM可以達(dá)到約0.01nm，這對(duì)于表征納米片的厚度非常適用。

圖2 石墨烯片層的厚度和尺寸測(cè)量

（3）相圖（Phase）

相圖是原子力顯微鏡（AFM）輕敲模式下的一個(gè)重要擴(kuò)展技術(shù)。在表面阻抗及黏滯力的作用下，振動(dòng)探針的相位會(huì)發(fā)生改變。由于不同材料性質(zhì)的差異會(huì)引起阻抗及黏滯力的變化，因此可以通過(guò)觀察相位差來(lái)定性分析表面材質(zhì)的分布狀況。

圖3 瀝青微觀形貌三相圖


審核編輯 黃宇