内容发布更新时间 : 2024/12/23 19:16:37星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

原子力显微镜基本成像模式分析及其应用

摘 要：原子力显微镜具有原子级别分辨率，成像分辨率高，并且能提供三维表面图，近年来在纳米功能材料、生物、化工和医药方面得到广泛的使用。文章从原子力显微镜的成像原理、操作模式及其相关应用等方面对原子力显微镜做了简要的介绍。

关键词：原子力显微镜；操作模式；应用

原子力显微镜最早是由IBM公司苏黎世研究中心的格尔德?宾宁于1986年所发明的[1]，原于力显微镜是一种利用原子分子间的相互作用力来观察物体表面微观形貌的新型实验技术。因为原子力显微镜具有原子级别分辨率，被广泛应用于纳米尺寸及生命科学领域。文章从原子力成像及其在不同学科的应用进行详细的介绍。 1 原子力显微镜

原子力显微镜（AFM）是利用原子之间的作用力通过仪器的检测系统、反馈系统等成像。当探针针尖接触样品受到力的作用时悬臂发生形变，AFM通过扫描样品时探针的偏移量来构建三维图片，从而间接获得样品表面形貌[2]。原子力显微镜可以检测样品的拓扑结构与力学、电学等性能，是最近几十年表面成像重要的表征工具之一。目前原子力显微镜

可以应用在不同的领域，AFM发挥不同的功能，当然在研究中AFM也存在一定的局限性及使用的困难。譬如在细胞生物工程研究中，液相下对细胞成像具有一定的难度，如针尖和细胞的粘附、扫描速度、频率、针尖的污染及清洗等问题，都是会面临及必须要解决的问题。 2 原子力显微镜基本成像模式

根据针尖与样品作用方式不同，原子力显微镜的操作模式主要分为接触模式、非接触模式和轻敲模式等三种，下面针对各种模式进行详细的介绍： 2.1 接触模式

在接触式AFM模式下，探针针尖始终与样品保持接触。针尖位于弹性系数很低的悬臂末端，悬臂的弹性系数低于原子保持在一起的作用力的有效弹性系数。当扫描管引导针尖在样品上方轻轻滑过时，接触作用力使悬臂发生弯曲，从而反映出样品表面形貌的起伏。在AFM中，力曲线在排斥力区间的斜率非常大，意味着当悬臂将针尖压向样品时，实际情况将是悬臂的弯曲程度远远大于针尖原子靠近样品原子的程度。哪怕使用更坚硬的悬臂来对样品施加更大的作用力，也不能让原子间的间距有显著减小。相反，这样做的结果往往是样品表面或针尖发生形变。 2.2 非接触式AFM

非接触式AFM技术是几种悬臂振动成像技术中的一种，

成像时，AFM探针悬臂在样品表面附近处于振动状态。在非接触模式下，系统驱动硬度较高的悬臂在本振频率附近振动（一般为100-400kHz），振幅为几十至上百埃，并探测悬臂共振频率或振幅的变化。非接触模式下针尖与样品之间的吸引力通常相比接触模式下的排斥力小，并且更难以保持稳定。在非接触模式下，Z向反馈处于启用状态，系统对悬臂的共振频率或振幅的变化进行探测并随着形貌的起伏上下移动扫描管使之保持不变。通过这种方式，针尖一样品间距的平均值同样保持不变，Z向反馈信号用来生成成像所需数据。

2.3 轻敲模式

轻敲模式是所有AFM模式中最常见的一种，通过使用处于振动状态的探针针尖对样品表面进行敲击来生成形貌图像。扫描过程中，探针悬臂的振幅随样品表面形貌的起伏而变化。轻敲模式消除了对样品造成损伤并降低图像分辨率的横向力影响，从而可以对其他AFM技术无法扫描的样品进行成像。另一个重要的优点可以不受在常见成像环境下大多数样品表面都会附着的液体膜对图像的影响。一般来说，轻巧模式的悬臂共振幅度在几十纳米，可以保证针尖有足够的动能脱离表面的黏着，以保证稳态振动。而非接触式AFM的悬臂振幅则要求小很多。因此，通常在超高真空中，以非常缓慢的速度进行扫描，否则针尖很容易被粘在液体膜中。