博一建材讯：1986年，G.Binning等人发明了原子力显微镜(AtomicForceMicroscope,AFM)，AFM不仅具有很高的分辨率（横向分辨率达到1nm，纵向分辨率达到0.01nm），而且对工作环境、样品性质等方面的要求也非常低，因此，AFM的出现为人们更多的观察微观世界提供了一个有效的手段和方法。1.AFM的工作原理在AFM上有一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂(Cantilever)上的极细探针(Probe)，当针尖非常接近样品表面时,就在针尖—样品之间产生极微弱的作用力(吸引或排斥力)，引起微悬臂偏转。根据物理学原理，施加到微悬臂末端力的表达式为F=KΔZ式中,ΔZ表示针尖相对于试样间的距离，K为微悬臂的弹性系数。力的变化均可以通过微悬臂被检测。根据力的检测方法，AFM可以分成两类：一类是检测探针的位移；另一类是检测探针的角度变化[1]。由于后者在Z方向上的位移是通过驱动探针来自动跟踪样品表面形状，因此受到样品的重量及形状大小的限制比前者小。在扫描时控制这种针尖—样品之间的作用力恒定，带针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的等位面，在垂直于样品表面方向上起伏运动，通过光电测系统(通常利用光学、电容或隧道电流方法)对微悬臂的偏转进行扫描（图1），测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像。2.AFM的工作模式目前AFM有三种工作模式，接触模式(ContactMode)、轻敲模式(TappingMode)和非接触模式(Non-contactMode)。2.1接触模式(ContactMode)接触模式包括恒力模式(constant-forcemode)和恒高模式(constant-heightmode)。在恒力模式中，通过反馈线圈调节微悬臂的偏转程度不变，从而保证样品与针尖之间的作用力恒定，当沿x、y方向扫描时，记录Z方向上扫描器的移动情况来得到样品的表面轮廓形貌图像。这种模式由于可以通过改变样品的上下高度来调节针尖与样品表面之间的距离，这样样品的高度值较准确，适用于物质的表面分析。在恒高模式中，保持样品与针尖的相对高度不变，直接测量出微悬臂的偏转情况，即扫描器在Z方向上的移动情况来获得图像。这种模式对样品高度的变化较为敏感，可实现样品的快速扫描，适用于分子、原子的图像的观察[3]。2.2轻敲模式(TappingMode)在轻敲模式中，通过调制压电陶瓷驱动器使带针尖的微悬臂以某一高频的共振频率和0.01～1nm的振幅在Z方向上共振，而微悬臂的共振频率可通过氟化橡胶减振器来改变。当针尖没有接触到表面时，微悬臂以一定的大振幅振动，当针尖接近表面直至轻轻接触表面时，其振幅将减小；而当针尖反向远离表面时，振幅又恢复到原先的大小。同时反馈系统通过调整样品与针尖间距来控制微悬臂振幅与相位，使得作用在样品上的力保持恒定，记录样品的上下移动情况即在Z方向上扫描器的移动情况来获得图像[3]。2.3非接触模式(Non-contactMode)非接触模式是探针针尖始终不与样品表面接触，在样品表面上方5～20nm距离内扫描。针尖与样品之间的距离是通过保持微悬臂共振频率或振幅恒定来控制的。在这种模式中，样品与针尖之间的相互作用力是吸引力——范德华力。非接触模式AFM的工作原理就是，以略大于微悬臂自由共振频率的频率驱动微悬臂，当针尖接近样品表面时，微悬臂的振幅显著减小。振幅的变化量对应于作用在微悬臂上的力梯度，因此对应于针尖-样品间距，反馈系统通过调整针尖-样品间距使得微悬臂的振动幅度在扫描过程中保持不变，就可以得到样品的表面形貌像[3]。3.原子力显微镜用途NanoSurfAFM主要用于各种材料(包括导体和绝缘体)原子级分辨率的表面形貌观察、分析，应用于物理学、材料科学、生命科学等微纳米操作技术领域。
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