原子力显微镜成像模式

　　原子力显微镜是显微镜中的一种类型，应用范围十分广泛。是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。

原子力显微镜三种成像模式

　　当原子力显微镜成像模式的针尖与样品表面原子相互作用时，通常有几种力同时作用于微悬臂，其中Z主要的是范德瓦尔斯力。当针尖与样品表面原子相互靠近时，它们先互相吸引，随着两者间距继续减小，两者之间的排斥力将开始抵消吸引力，直到间距为几个埃时，两个力达到平衡。间距更小时，两者之间以排斥力为主。如果让针尖与样品处于不同的间距，则可使原子力显微镜成像模式处于不同的工作模式。

　　原子力显微镜成像模式的工作模式主要有接触模式、非接触模式和轻敲模式。根据样品表面不同的结构特征和材料的特性以及不同的研究需要，选择合适的工作模式。

接触模式

　　接触模式是原子力显微镜的常规工作模式。在接触模式中，针尖始终和样品接触，以恒高或恒力的模式进行扫描。扫描过程中，针尖在样品表面滑动。通常情况下，接触模式都可以产生稳定的、分辨率高的图像。但是这种模式不适用于研究生物大分子、低弹性模量样品以及容易移动和变形的样品。

　　在大气环境中，由于毛细作用的存在，针尖和样品之间有较大的粘附力，横向扫描时施加在样品上的额外作用力可能会造成样品表面的损伤，而且这种粘附力的存在会增大针尖与样品的接触面积，降低成像的分辨率。一般有两种解决办法：

　　①粘附力与物质表面自由能直接相关，表面自由能越大，针尖与样品间的粘滞作用越强。因此可以通过对原子力显微镜针尖进行表面修饰(在针尖上涂覆低表面能的材料或用自组装单分子膜修饰针尖等)来降低其表面自由能，从而有效地降低针尖与样品的接触面积。

　　②将针尖和样品浸入液体中，以克服毛细作用带来的影响，同时由于减少了针尖与样品间的相互作用力而提高成像分辨率。

　　如果原子力显微镜在扫描过程中微悬臂的方向和快速扫描的方向垂直，则针尖除了可以探测到样品之间的垂直方向的原子力，还会由于针尖与样品之间的摩擦力使得微悬臂横向扭转，这样就可以研究样品表面的微区摩擦性质。目前横向力的测量已经被广泛用于研究摩擦性质不同的多组分材料表面，如图形化表面的化学识别等。

非接触模式

　　在非接触模式中，原子力显微镜针尖在样品表面的上方振动，始终不与样品接触，针尖探测器检测的是范德瓦尔斯力和静电力等对成像样品没有破坏的长程作用力。这种模式虽然增加了显微镜的灵敏度，但当针尖和样品之间的距离较大时，分辨率要比接触模式和轻敲模式都低。这种模式的操作相对较难，通常不适用于在液体中成像，在生物中的应用也很少。

轻敲模式

　　在轻敲模式中，原子力显微镜微悬臂在其共振频率附近做受迫振动，振荡的针尖轻轻地敲击样品表面，间断地与样品接触。其分辨率和接触模式一样好，而且由于接触时间非常短暂，针尖与样品的相互作用力很小，通常为1pN(皮牛顿)～1nN(纳牛顿)，剪切力引起的分辨率的降低和对样品的破坏几乎消失，所以适用于对生物大分子、聚合物等软样品进行成像研究，对于一些与基底结合不牢固的样品，轻敲模式与接触模式相比，很大程度地降低了针尖对样品表面结构的“搬运效应”。

　　轻敲模式原子力显微镜在大气和液体环境下都可以实现。在大气环境中，当针尖与样品不接触时，微悬臂以Zda振幅自由振荡;当针尖与样品表面接触时，尽管压电陶瓷片以同样的能量激发微悬臂振荡，但是空间阻碍作用使得微悬臂的振幅减小，反馈系统控制微悬臂的振幅恒定，针尖就跟随表面的起伏上下移动获得形貌信息。轻敲模式同样适合在液体中操作，而且由于液体的阻尼作用，针尖与样品的剪切力更小，对样品的损伤也更小，所以在液体中的轻敲模式成像可以对活性生物样品进行现场检测、对溶液反应进行跟踪等。

　　轻敲模式原子力显微镜除了实现小作用力的成像以外，另一个重要的应用就是相位成像技术。通过测定扫描过程中微悬臂的振荡相位和压电陶瓷驱动信号的振荡相位之间的差值来研究材料的力学性质和样品表面的不同性质。相位成像技术可以用来研究样品的表面摩擦、材料的黏弹性和粘附性质等，也可以对表面的不同组分进行化学识别，与横向力显微镜得到的信息相近，但由于采用了轻敲模式，可以适用于柔软、粘附性强或与基底结合不牢固的样品，适应性更强。

　　轻敲模式一般是采用调制振幅恒定的方法进行恒力模式的扫描，另外也可以采用频率调制的技术测量扫描过程中频率的变化，这种频率调制原子力显微镜的力检测方式大大提高了噪音处理率，并大大提高了灵敏度，所以可以获得原子级分辨率的图像。