AFM,即原子力显微镜(Atomic Force Microscope),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。其技术特点可以归纳为以下几个方面:
一、高分辨率成像
原子力显微镜能够实现原子级别的分辨率,其垂直方向的分辨率可达到约0.01nm,侧向分辨率也极高,使得它能够捕捉到样品表面的细微结构和特征。
AFM原子力显微镜的成像质量稳定,能够生成高质量的三维图像,有助于科研人员更直观地理解样品表面的形貌和结构。
二、多种成像模式
接触式(Contact mode):探针J端和样品做柔软性的“实际接触”,当针尖轻轻扫过样品表面时,接触的力量引起悬臂弯曲,进而得到样品的表面图形。但不适用于研究生物大分子、低弹性模量样品以及容易移动和变形的样品。
非接触式(Non-contact mode):针尖在样品表面的上方振动,始终不与样品接触,探测器检测的是范德华作用力和静电力等对成像样品没有破坏的长程作用力。需要使用较坚硬的悬臂,所得到的信号更小,需要更灵敏的装置。虽然增加了显微镜的灵敏度,但当针尖和样品之间的距离较长时,分辨率较低。对于研究柔软或有弹性的样品较佳,不过会有误判现象,操作相对较难,通常不适用于在液体中成像。
轻敲式(Tapping mode):微悬臂在其共振频率附近做受迫振动,振荡的针尖轻轻地敲击表面,间断地和样品接触。当针尖与样品不接触时,微悬臂以*大振幅自由振荡;当针尖与样品表面接触时,尽管压电陶瓷片以同样的能量激发微悬臂振荡,但是空间阻碍作用使得微悬臂的振幅减小。反馈系统控制微悬臂的振幅恒定,针尖就跟随表面的起伏上下移动获得形貌信息。适用于对生物大分子、聚合物等软样品进行成像研究。
三、广泛的适用性
原子力显微镜可以用于测量薄膜的厚度,通过扫描薄膜表面并测量微力探针与薄膜之间的相互作用力的变化来确定。
AFM原子力显微镜可用于导体、半导体和绝缘体表面的高分辨成像,生物样品、有机膜的高分辨成像,以及表面化学反应研究、纳米加工与操纵、超高密度信息存储、分子间力和表面力研究、摩擦学及各种力学研究等领域。
原子力显微镜对样品的导电性没有要求,因此可以测量各种类型样品的表面形貌和结构。
AFM原子力显微镜可以在大气、真空、低温和高温、不同气氛以及溶液等各种环境下工作,提供了极大的实验灵活性和便利性。
四、样品制备简单且对样品破坏小
原子力显微镜的样品制备过程相对简单,通常需要将样品固定到基底上,并要求基底干净无杂质。常用的样品固定方法有胶固定和静电吸附等。
在测试过程中,AFM原子力显微镜对样品的破坏较小,特别是在轻敲模式下,由于接触时间非常短暂且作用力小,因此对样品的损伤几乎可以忽略不计。
五、技术局限性
原子力显微镜对样品表面的平整度有着严格的要求。如果样品表面存在较大的起伏,可能会导致部分样品表面无法被探测到,从而无法获得真实的形貌。
在使用AFM原子力显微镜进行成像时,需要选择合适的探针和成像模式以确保获得高质量的图像。不同的探针和成像模式适用于不同类型的样品和实验条件。
综上所述,原子力显微镜以其高分辨率成像、多种成像模式、广泛的适用性、样品制备简单且对样品破坏小等技术特点,在材料科学、生物学、化学等领域发挥着重要作用。