原子力显微镜的工作模式比较

　　原子力显微镜的应用范围十分广泛，其适用于生物、高分子、陶瓷、金属材料、矿物、皮革等固体材料等的显微结构和纳米结构的观测，以及粉末、微球颗粒形状、尺寸及粒径分布的观测等。

原子力显微镜的三种工作模式

　　目前原子力显微镜有三种工作模式，接触模式、轻敲模式和非接触模式。

　　1、接触模式

　　原子力显微镜接触模式包括恒力模式和恒高模式。

　　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，保持样品与原子力显微镜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。

　　2、轻敲模式

　　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，当原子力显微镜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、非接触模式

　　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。原子力显微镜这种模式中，样品与针尖之间的相互作用力是吸引力——范德华力。

　　非接触模式原子力显微镜的工作原理就是，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。

原子力显微镜三种模式的比较

　　接触模式：

　　优点：扫描速度快，是唯yi能够获得“原子分辨率”图像的原子力显微镜垂直方向上有明显变化的质硬样品，有时更适于用接触模式扫描成像。

　　缺点：横向力影响图像质量。在空气中，因为样品表面吸附液层的毛细作用，使针尖与样品之间的粘着力很大。横向力与粘着力的合力导致图像空间分辨率降低，而且针尖刮擦样品会损坏软质样品(如生物样品，聚合体等)。

　　非接触模式：

　　优点：没有力作用于样品表面。

　　缺点：由于针尖与样品分离，横向分辨率低;为了避免接触吸附层而导致针尖胶粘，其扫描速度低于轻敲模式和接触模式原子力显微镜。通常仅用于非常怕水的样品，吸附液层必须薄，如果太厚，针尖会陷入液层，引起反馈不稳，刮擦样品。由于上述缺点，非接触模式的使用受到限制。

　　轻敲模式：

　　优点：很好的消除了横向力的影响。降低了由吸附液层引起的力，图像分辨率高，适于观测软、易碎、或胶粘性样品，不会损伤其表面。

　　缺点：比接触模式原子力显微镜的扫描速度慢。