原子力显微镜用途

　　原子力显微镜是SPM家族中应用领域Z为广泛的表面观察与研究工具之一。由于其不仅能从原子尺度上对导体、半导体表面进行成像，而且能获得诸如玻璃、陶瓷等非导电体材料的表面结构，并能在真空、大气和水中无损地直接观察物体。因此，尽管原子力显微镜问世时间很短，其应用理论与技术现已得到迅猛发展，在材料科学、生命科学以及表面科学等领域中有着广阔的发展前景。

原子力显微镜应用于表面形貌观测

　　随着纳米科学技术的兴起与发展，常规显微镜由于本身的局限越来越不能胜任微观领域的形貌观察及分析。而基于扫描隧道显微镜基本原理发展起来的原子力显微镜无疑为材料的微观形貌观察起到了根本性的推动作用。

　　原子力显微镜是基于原子间相互作用力的测定，而不受样品导电性的影响，其研究对象几乎不受任何局限，所以利用原子力显微镜能较好地实时观测被测表面的三维立体图象。当一根十分尖锐的微探针在纵向充分逼近样品表面至数纳米更小间距时，微探针的原子和样品表面的原子之间将产生相互作用的原子力。

　　原子力的大小与间距之间存在一定的曲线关系。在间距较大的起始阶段，原子力表现为引力，随着间距的进一步减小，由于价电子云的相互重叠和两个原子核的电荷阅相互作用，原子力又转丽表现为斥力，该排斥力随着间距的缩短而急剧增大。因此，原子力显微镜通过检测原子间的作用力，利用原子力与间距之间的关系曲线，可获得样品表面真实而丰富的微观形貌图象。

　　由于原子力显微镜具有原子级高分辨率，且放大倍率连续可调，探测过程中对样品表面无损伤，不需要高真空的必要工作条件，且体积小、成本低、性价比高，综合指标与其它常规显微手段相比优势明显。其突出优点是：不仅适用于导体、半导体、绝缘体样品，还可应用于真空、大气以及液体环境。

原子力显微镜应用于纳米压痕试验

　　纳米压痕又称深度敏感压痕技术，是近几年发展起来的一种新技术，它可以在不用分离薄膜与基底材料的情况下直接得到薄膜材料的许多力学性质，例如弹性模量、硬度等。

　　材料硬度的测试原理起源于1881年Hertz的压痕测定法，但该测定法受到所加负载大小与压痕边沿质量之间矛盾的限制，对于薄膜材料的测定很不精确。1992年Oliver和Pharr提出用纳米量级压痕的负荷位移关系测试和分析材料的机械力学性质，特别是薄膜材料的显微硬度的新方法。采用Oliver-Pharr方法，微小压痕的深度只要达到几个纳米，就能从压痕的各项数据中推算出材料的显微硬度。这样就避免了压痕边沿碎裂、衬底影响等传统检测硬度技术的种种缺点，使得测量膜厚很小的薄膜材料的显微镜硬度成为可能。除此之外，使用这种新方法，还能根据压痕过程的加载和卸载曲线，研究材料的弹性模量。

　　在Oliver-Pharr方法中，金刚石压头压人材料表面的压人深度的位移(压人位移)，随所加负荷的增加而单调增加，同时，在待测样品的弹性限度内压头与材料表面的接触面积也之增加。因此，在一个完整的加载-卸载测量周期中，可获得所需的压痕数据，从而导出显微硬度和弹性模量。

　　实验表明，由原子力显微镜测量的纳米级硬度值要大于由传统硬度测试仪所测量值，同时，随着AFM压入载荷的减小，纳米级硬度值呈现出增加的趋势。

　　原子力显微镜(AFM)秉承了扫描探针显微镜(SPM)家族的优异性能，不但在原子级形貌观测方面起不可替代的作用，同时凭借着测量中对力的极端敏感性，原子力显微镜还可以测量表面纳米尺度范围内的力学性质，例如磨损量，纳米润滑层的厚度，摩擦力和摩擦系数等。这些都将成为原子力显微镜应用的一种扩展，将极大地推动纳米摩擦学的研究。