原子力顯微鏡利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細(xì)探針與受測(cè)樣品原子之間的作用力，從而達(dá)到檢測(cè)的目的，具有原子級(jí)的分辨率。由于原子力顯微鏡既可以觀察導(dǎo)體，也可以觀察非導(dǎo)體，從而彌補(bǔ)了掃描隧道顯微鏡的不足。
根據(jù)吸引力和排斥力發(fā)展出兩種操作模式，即接觸模式和非接觸模式。然后，在非接觸模式之上改良，就有了第三種模式輕敲模式。
原子力顯微鏡工作模式：接觸模式
利用探針的針尖與待測(cè)物表面之原子力交互作用，探針與樣品表面緊密接觸并在表面上滑動(dòng)。使非常軟的探針臂產(chǎn)生偏折，此時(shí)用特殊微小的鐳射光照射探針臂背面，被探針臂反射的雷射光以二相的鐳射光相位偵檢器來(lái)記錄鐳射光被探針臂偏移的變化。接觸模式的優(yōu)點(diǎn)是掃描速度快，分辨率高，是AFM技術(shù)中可得到原子級(jí)分辨率的圖像的模式，并且對(duì)于一些表面上垂直變化較大的樣品，比較容易掃描。但由于針尖在樣品表面上滑動(dòng)及樣品表面與針尖的粘附力，可能使得針尖受到損害，樣品產(chǎn)生變形，故對(duì)不易變形的低彈性樣品存在缺點(diǎn)，并且其應(yīng)切力會(huì)使圖像產(chǎn)生扭曲。
特點(diǎn)：掃描速度快，是接觸模式、非接觸模式、輕敲模式三種模式中能獲得原子級(jí)分辨率的模式。
操作要點(diǎn)：過(guò)大的作用力會(huì)損壞樣品表面，但較大的的作用力通常可得到較佳的解析度。因此選擇適當(dāng)?shù)牡淖饔昧Γ佑|式的操作模式是十分重要的。
原子力顯微鏡工作模式：非接觸模式
非接觸模式是探針針尖始終不與樣品表面接觸，在樣品表面上方5～20nm距離內(nèi)掃描。針尖與樣品之間的距離是通過(guò)保持微懸臂共振頻率或振幅恒定來(lái)控制的。在這種模式中，樣品與針尖之間的相互作用力是吸引力——范德華力。非接觸模式AFM的工作原理就是，以略大于微懸臂自由共振頻率的頻率驅(qū)動(dòng)微懸臂，當(dāng)針尖接近樣品表面時(shí)，微懸臂的振幅顯著減小。振幅的變化量對(duì)應(yīng)于作用在微懸臂上的力梯度，因此對(duì)應(yīng)于針尖-樣品間距，反饋系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整針尖-樣品間距使得微懸臂的振動(dòng)幅度在掃描過(guò)程中保持不變，就可以得到樣品的表面形貌像。樣品不會(huì)被破壞，而且針尖也不會(huì)被污染，特別適合于研究柔嫩物體的表面。
特點(diǎn)：針尖不與樣品接觸，所以對(duì)樣品沒(méi)有損傷，且由于吸引力小于排斥力，針尖-樣品作用力比接觸式的小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，故靈敏度比接觸模式高。
操作要點(diǎn)：在大氣中操作時(shí)，試片表面常會(huì)吸附一層水，所以在討論探針和試片交互作用時(shí)，必須考慮探針與試片表面水膜間的毛細(xì)孔現(xiàn)象。
原子力顯微鏡工作模式：輕敲模式
將非接觸式加以改良，其原理是將探針與樣品距離加近，然后增大振幅，使探針在振蕩至波谷時(shí)接觸樣品，由于樣品的表面高低起伏，使得振幅改變，再利用類(lèi)似非接觸式的迴饋控制方式來(lái)獲得圖像。輕敲模式的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)大多數(shù)樣品有比較高的側(cè)向分標(biāo)率(1-5nm)，并且由于微懸臂的高頻振動(dòng)，使得針尖與樣品之間頻繁接觸的時(shí)間相當(dāng)短，針尖與樣品可以接觸，也可以不接觸，且有足夠的振幅來(lái)克服樣品與針尖之間的粘附力。因此對(duì)樣品的損害很小，適用于柔軟、易脆和粘附性較強(qiáng)的樣品，且不對(duì)它們產(chǎn)生破壞。這種模式在高分子聚合物的結(jié)構(gòu)研究和生物大分子的結(jié)構(gòu)研究中應(yīng)用廣泛。其缺點(diǎn)是掃描速度比接觸模式要慢。
特點(diǎn)：很好地消除了橫向力的影響，降低了由吸附液層引起的力，圖像分辨率高，適于觀測(cè)軟、易碎或膠黏性樣品，不會(huì)損傷其表面。
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