什么是原子力顯微鏡?

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope, AFM）是一種利用探針與樣品表面原子間相互作用力來(lái)觀測(cè)物體表面納米級(jí)形貌和特性的高分辨率掃描探針顯微鏡。其分辨率可達(dá)原子級(jí)別（橫向約0.1-1 nm，縱向約0.01 nm），廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域。

核心原理

AFM通過(guò)一個(gè)尖銳的探針（通常由硅或氮化硅制成，針尖曲率半徑僅幾納米）在樣品表面進(jìn)行掃描。探針固定在微懸臂上，當(dāng)針尖接近樣品表面時(shí)，會(huì)受到原子間作用力（如范德華力、靜電力和化學(xué)鍵力等），導(dǎo)致微懸臂發(fā)生彎曲或偏轉(zhuǎn)。通過(guò)檢測(cè)這種微小的形變，可反演出樣品表面的三維形貌及物理特性。

工作模式

1. 接觸模式
   探針與樣品表面輕微接觸，通過(guò)懸臂的偏轉(zhuǎn)直接反映表面高度變化。適用于硬質(zhì)樣品，但可能損傷柔軟樣品。

2. 非接觸模式
   探針在樣品表面上方振動(dòng)（距離約1-10 nm），通過(guò)監(jiān)測(cè)振幅或頻率變化檢測(cè)長(zhǎng)程作用力（如范德華力）。對(duì)樣品無(wú)損傷，但分辨率較低。

3. 輕敲模式
   探針以高頻振動(dòng)周期性輕觸樣品表面，兼具高分辨率和低損傷的特點(diǎn)，尤其適用于生物樣品等柔軟材料。

主要組成部分

• 探針與微懸臂：核心傳感部件，通常帶有反射涂層。

• 激光系統(tǒng)：激光照射懸臂末端，反射至光電探測(cè)器，將懸臂偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

• 壓電掃描器：控制探針或樣品在三維方向精確移動(dòng)。

• 反饋系統(tǒng)：實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)探針與樣品間距，保持作用力恒定以生成形貌圖像。

核心功能與特點(diǎn)

• 超高分辨率：可觀測(cè)原子、分子結(jié)構(gòu)。

• 多環(huán)境適用：可在真空、液體、氣體環(huán)境中工作，便于生物活體研究。

• 多功能性：除形貌外，還能測(cè)量表面力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等性質(zhì)（如硬度、粘附力、電勢(shì)分布）。

• 無(wú)需特殊處理：樣品通常無(wú)需導(dǎo)電或鍍膜，優(yōu)于電子顯微鏡。

典型應(yīng)用領(lǐng)域

• 材料科學(xué)：納米材料形貌分析、薄膜粗糙度測(cè)量。

• 生物學(xué)：DNA、蛋白質(zhì)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)成像，研究分子間作用力。

• 半導(dǎo)體工業(yè)：芯片表面缺陷檢測(cè)、納米結(jié)構(gòu)尺寸測(cè)量。

• 納米技術(shù)：操縱原子或分子，構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)。