原子力显微镜的原理|特点|应用

　　与电子显微镜相比，原子力显微镜有很多方面的优势：如样品准备简单，样品导电与否都能适合该仪器;操作环境不受限制，即可以在真空，也可以在大气中进行;并且可以对所测区域的面粗糙度值进行统计等等。自上世纪80年代diyi台原子力显微镜问世至今，分辨率和稳定性得到极大提高，得到越来越广泛的应用。但同时也有其自身的缺点，由于各方面的影响因素，图像有时会产生假相等。

　　原子力显微镜是利用一个对力敏感的探针针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的。将一个对微弱力极敏感的弹性微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品的表面轻轻接触，由于针尖原子与样品表面原子间存在极微弱的作用力(10^-8～10^-6N)，微悬臂会发生微小的弹性形变。

　　原子力显微镜针尖和样品之间的力F与微悬臂的形变Δz之间遵循胡克定律F=kΔz，其中，k为微悬臂的力常数。测定微悬臂形变量的大小，就可以获得针尖与样品之间作用力的大小。针尖与样品之间的作用力与距离有着强烈的依赖关系，所以在扫描过程中利用反馈回路保持针尖和样品之间的作用力恒定，即保持微悬臂的形变量不变，针尖就会随表面的起伏上下移动。记录针尖上下运动的轨迹即可得到样品表面形貌的信息。这种检测方式被称为“恒力”模式，是原子力显微镜使用Z广泛的扫描方式。

　　原子力显微镜的图像也可以使用“恒高”模式来获得，也就是在x、y扫描过程中，不使用反馈回路，保持针尖与参考水平面之间的距离恒定，检测器直接测量微悬臂z方向的形变量来成像。这种方式由于不使用反馈回路，可以采用更高的扫描速度，通常在观察原子、分子像时用得比较多，而对于表面起伏较大的样品不适合。

　　对于原子力显微镜，通用的工作模式有接触和敲击式。在敲击模式中，一种恒定的驱使力使探针悬臂以一定的频率振动。当针尖刚接触样品时，悬臂振幅会减少到某一数值。在扫描过程中，反馈回路维

　　原子力显微镜是通过探针与被测样品之间微弱的相互作用力(原子力)来获得物质表面形貌的信息。因此，原子力显微镜除导电样品外，还能够观测非导电样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆盖，其应用领域将更为广阔。

　　原子力显微镜主要由为反馈光路提供光源的激光系统、进行力-距离反馈的微悬臂系统、执行光栅扫描和Z轴定位的压电扫描器、接收光反馈信号的光电探测器、反馈电子线路、粗略定位系统、防震防噪声系统、计算机控制系统与数据处理软件、样品探测环境控制系统湿控、温控、气环境控制等、监控激光-悬臂-样品相对位置的显微及CCD摄像系统等构成。

　　1、激光器单元

　　原子力显微镜激光器是光反馈通路的信号源。由于悬臂的空间有限性，就对照射器上的光束宽度提出了一定要求：足够细、单色性好、发散程度弱;同时也要求光源的稳定性高，可持续运行时间久，工作寿命长。而激光正是能够很好地满足上述条件的光源。

　　2、微悬臂单元

　　微悬臂是探测样品的直接工具，它的属性直接关系到原子力显微镜的精度和使用范围。微悬臂必须有足够高的力反应能力，这就要求悬臂必须容易弯曲，也易于复位，具有合适的弹性系数，使得零点几个纳牛甚至更小的力的变化都可以被探测到;同时也要求悬臂有足够高的时间分辨能力，因而要求悬臂的共振频率应该足够高，可以追随表面高低起伏的变化。根据上述两个要求，微悬臂的尺寸必须在微米的范围，而位于微悬臂末端的探针则在10nm左右，而其上针尖的曲率半径约为30nm，悬臂的固有频率则必须高于10Hz。

　　3、压电扫描单元

　　原子力显微镜要探测样品表面的精细结构，除了高性能的微悬臂以外，压电扫描器压电换能器的精确扫描和灵敏反应也是同样重要的。压电换能器是能将机械作用和电讯号互相转换的物理器件。它不仅能够使样品在XY扫描平面内精确地移动，也能灵敏地感受样品与探针间的作用，同时亦能将反馈光路的电讯号转换成机械位

　　原子力显微镜(AFM)，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。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。

　　粉末样品的制备：原子力显微镜粉末样品的制备常用的是胶纸法，先把两面胶纸粘贴在样品座上，然后把粉末撒到胶纸上，吹去为粘贴在胶纸上的多余粉末即可。

　　块状样品的制备：玻璃、陶瓷及晶体等固体样品需要抛光，注意固体样品表面的粗糙度。

　　液体样品的制备：原子力显微镜液体样品的浓度不能太高，否则粒子团聚会损伤针尖。(纳米颗粒：纳米粉末分散到溶剂中，越稀越好，然后涂于云母片或硅片上，手动滴涂或用旋涂机旋涂均可，并自然晾干)。

　　一、设备开机

　　1、打开原子力显微镜主机电源。

　　2、开启电脑、运行软件。

　　3、在软件界面点击SPM init进行设备初始化，如显示SPM OK可继续操作，如不显示SPM OK重启软件。

　　4、点open door开操作门，点灯泡按钮照亮。

　　二、样品准备

　　1、将表面洁净样品使用专用双面胶粘贴至设备配备的圆形载物片上(Z好两个台子一起使用，以便旋转样品)。

　　2、通过检测组件上的按钮或者软件点open door开启样品室舱门，点灯泡按钮照亮，点击软件界面上的AFM-STM退针钮使显微镜探头缩回。

　　3、使用专用镊子将样品连同载物片放入磁性样品台上，小心调整样品区域之中间。小心不要碰触探头、激光源等。

　　4、点击原子力显微镜软件界面的AFM-STM使探头移回。关闭舱门。

　　三、操作程序

　　1、运行软件的camera功能。

　　2、运行软件的aiming功能。

　　3、运行AFM钮，使针头伸出。

　　4、运行软件的Resonance功能，选择semicontact模式，在probes里选择对应针尖，点击Auto，调节探针悬臂的共振频率。

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　　原子力显微镜是通过探针与被测样品之间微弱的相互作用力来获得物质表面形貌的信息，因此，原子力显微镜除导电样品外，还能够观测非导电样品的表面结构，其应用领域更为广阔，除物理、化学、生物等领域外，原子力显微镜在微电子学、微机械学、新型材料、医学等领域都有着广泛的应用。

　　对比于现有的其它显微工具，原子力显微镜以其高的空间分辨率、广泛的试验对象、制样方法的简易性及试验环境的多样性等特点而备受青睐。其在材料科学、生命科学等领域的研究上发挥着重大作用。

　　1、高的空间分辨率

　　原子力显微镜的放大倍数远远超过以往的任何显微镜：光学显微镜的放大倍数一般都超不过1000倍;电子显微镜的放大极限为10^6倍;而原子力显微镜的放大倍数能高达10^10倍，比电子显微镜放大能力高10^4倍。高的分辨率使原子力显微镜可直接观察物质的分子和原子，这就为人类对微观世界的进一步探索提供了理想的工具。

　　2、广泛的试验对象

　　原子力显微镜可对导体、半导体和绝缘体材料进行研究，如金属、陶瓷、半导体材料;原子力显微镜能对物理材料、化学材料进行测量，如矿物、纸张、涂料、无机物、有机高分子等;原子力显微镜能对生物样品进行测量，如植物、动物、细菌的组织、细胞、细胞器、生物大分子等;可也对表面软硬不同的样品进行测量，如金刚石、牙齿骨骼、皮肤组织、凝胶、肿瘤细胞等;亦可对不同状态的物质进行测量，如薄膜、颗粒物质、液晶态物。但扫描隧道显微镜只能对表面导电的物质进行表征，电子显微镜也要求对样品进行复杂的前处理。

　　3、简单易行的制样过程

　　在生命科学研究领域，各种显微镜对其观察的样本有不同的要求：电子显微镜的样品必须进行固定、脱水、包埋、切片、染色等一系列处理，因此电子显微镜只能观察死的细胞或组织的微观结构;激光扫描共聚焦显微镜的样品必须经过特殊的荧光染色，所以其应用受限于荧光探针技术的发展;扫描隧道显微

　　原子力显微镜(AFM)属于扫描探针显微技术的一支，此类显微技术都是利用特制的微小探针，来侦测探针与样品表面之间的某种交互作用，如穿隧电流、原子力、磁力、近场电磁波等等。

　　接触式原子力显微镜：

　　在接触式原子力显微镜操作下，探针与样品问的作用力是原子间的排斥力，这是Z早被发展出来的操作模式，由于排斥力对距离非常敏感，所以接触式原子力显微镜较容易得到原子解析度。在一般的接触式量测中，探针与样品问的作用力很小，约为10^-6至10^-10N，但由于接触面积极小，因此过大的作用力仍会损坏样品表面，但较大的的作用力通常可得到较佳的解析度。因此选择适当的的作用力，接触式原子力显微镜的操作模式是十分重要的。

　　接触式的原子力显微镜利用探针和样品原子间的排斥力，原子力间的排斥力对距离的变化是非常敏感。是利用具有悬臂的探针接触且轻压表面，由于反作用力使得探针的悬臂产生偏折，而偏折量的大小代表反作用力的大小，所以扫描表面时利用维持相同的偏折量就可以描绘出3D的表面结构。

　　就原子力显微镜的操作模式比较起来，接触式原子力显微镜较能够得到原子尺度的解析度，一般的接触量测中，探针和试片间作用力约为10^-6~10^-9牛顿(N)，但接触 面积极小，相对形成过大的作用力可能损害样品，尤其是软性材质。因此设定适当的作用力是非常重要的。

　　非接触式原子力显微镜：

　　为了解决接触式原子力显微镜可能损坏样品的缺点，便有非接触式原子力显微镜发展出来，这是利用原子间的长距离吸引力来运作。凡德瓦尔力对距离的变化非常小，因此必须使用调变技术来增强讯号对杂讯比，便能得到等作用力图像，这也就是样品的高度影像。一般非接触式原子力显微镜只有约50nm(10^-9m)的解析度，不过在真空环境下操作，其解析度可达原子级的解析度，是原子力显微镜中解析度Z佳的操作模式。

　　此为轻敲式原子力显微镜的衍生

　　原子力显微镜利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力，从而达到检测的目的，具有原子级的分辨率。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。

　　原子力显微镜本身的优势是其在生物学中得以迅速发展的主要原因：

　　①原子力显微镜技术的样品制备简单，无需对样品进行特殊处理，因此，其破坏性较其它生物学常用技术(如电子显微镜)要小得多;

　　②原子力显微镜能在多种环境(包括空气、液体和真空)中运作，生物分子可在生理条件下直接成像，也可对活细胞进行实时动态观察;

　　③原子力显微镜能提供生物分子和生物表面的分子/亚分子分辨率的三维图像;

　　④原子力显微镜能以纳米尺度的分辨率观察局部的电荷密度和物理特性，测量分子间(如受体和配体)的相互作用力;

　　⑤原子力显微镜能对单个生物分子进行操纵;

　　⑥由原子力显微镜获得的信息还能与其它的分析技术和显微镜技术互补。

　　原子力显微镜还具有对标本的分子或原子进行加工的能力，例如，可搬移原子，切割染色体，在细胞膜上打孔等等。综上所述，原子级的高分辨率、观察活的生命样品和加工样品的力行为成就了原子力显微镜的三大特点。

　　原子力显微镜能对转录的过程进行实时观察，在加入核苷酸后，沉积到云母上的延长复合物沿着DNA模板单向移动。两个对照实验证实RNAP与DNA的相对移动与转录的实际情况相符。通过PAGE对反应产物进行分析，结果显示与云母结合的复合物具有活性，而且转录的速度与用原子力显微镜测得的近似生物分子的构象改变也是原子力显微镜的重要观察内容。将尿素酶沉积到云母上并用原子力显微镜扫描，在液池中加入尿素后发现，悬臂的垂直波动明显增加，这提示由酶活动引起的构象改变能直接通过原子力显微镜记录下来。

　　原子力显微镜在研究分子识别中的应用分子间的相互作用在生物学领域中相当普遍，例如受体和

　　原子力显微镜利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力，从而达到检测的目的，具有原子级的分辨率。在微电子学、微机械学、新型材料、医学等领域都有着广泛的应用。

　　原子力显微镜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。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。

　　原子力显微镜扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。它主要由带针尖的微悬臂、微悬臂运动检测装置、监控其运动的反馈回路、使样品进行扫描的压电陶瓷扫描器件、计算机控制的图像采集、显示及处理系统组成。微悬臂运动可用如隧道电流检测等电学方法或光束偏转法、干涉法等光学方法检测，当针尖与样品充分接近相互之间存在短程相互斥力时，检测该斥力可获得表面原子级分辨图像，一般情况下分辨率也在纳米级水平。原子力显微镜测量对样品无特殊要求，可测量固体表面、吸附体系等。

　　1、原子力显微镜探测到的原子力的由哪两种主要成分组成?

　　原子力显微镜探针与样品表面原子之间存在多种作用力，其中包括范德瓦耳斯力、排斥力、静电力、形变力、磁力、化学作用力等。原子力显微镜使用时，会消除出来范德瓦耳斯力以及排斥力之外作用力的影响;再加上，除了以上两种力之外，其他力本身也相对较小。

　　因此，原子力显微镜探测到的原子力主要由范德瓦尔斯力以及排斥力组成。其中范德瓦耳斯力为吸引力，排斥力的本质为原子电子云之间的相互作用，其本质为一种量子效应。

　　2、怎样使用原子力显微镜，才能较好地保护探针?

　　探针价格较为昂贵，操作可能损坏探针的时候应该缓慢、小心。在