什么是原子力显微镜?

什么是原子力显微镜?

原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）是一种利用探针与样品表面原子间相互作用力来观测物体表面纳米级形貌和特性的高分辨率扫描探针显微镜。其分辨率可达原子级别（横向约0.1-1 nm，纵向约0.01 nm），广泛应用于材料科学、生物学、化学等领域。

核心原理

AFM通过一个尖锐的探针（通常由硅或氮化硅制成，针尖曲率半径仅几纳米）在样品表面进行扫描。探针固定在微悬臂上，当针尖接近样品表面时，会受到原子间作用力（如范德华力、静电力和化学键力等），导致微悬臂发生弯曲或偏转。通过检测这种微小的形变，可反演出样品表面的三维形貌及物理特性。

工作模式

1. 接触模式
   探针与样品表面轻微接触，通过悬臂的偏转直接反映表面高度变化。适用于硬质样品，但可能损伤柔软样品。

2. 非接触模式
   探针在样品表面上方振动（距离约1-10 nm），通过监测振幅或频率变化检测长程作用力（如范德华力）。对样品无损伤，但分辨率较低。

3. 轻敲模式
   探针以高频振动周期性轻触样品表面，兼具高分辨率和低损伤的特点，尤其适用于生物样品等柔软材料。

主要组成部分

• 探针与微悬臂：核心传感部件，通常带有反射涂层。

• 激光系统：激光照射悬臂末端，反射至光电探测器，将悬臂偏转转化为电信号。

• 压电扫描器：控制探针或样品在三维方向精确移动。

• 反馈系统：实时调节探针与样品间距，保持作用力恒定以生成形貌图像。

核心功能与特点

• 超高分辨率：可观测原子、分子结构。

• 多环境适用：可在真空、液体、气体环境中工作，便于生物活体研究。

• 多功能性：除形貌外，还能测量表面力学、电学、磁学等性质（如硬度、粘附力、电势分布）。

• 无需特殊处理：样品通常无需导电或镀膜，优于电子显微镜。

典型应用领域

• 材料科学：纳米材料形貌分析、薄膜粗糙度测量。

• 生物学：DNA、蛋白质、细胞结构成像，研究分子间作用力。

• 半导体工业：芯片表面缺陷检测、纳米结构尺寸测量。

• 纳米技术：操纵原子或分子，构建纳米结构。