原子力显微镜的工作模式

　　原子力显微镜Z早是由IBM公司苏黎世研究ZX的格尔德·宾宁于1986年所发明的，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。

原子力显微镜常见的工作模式

　　根据样品与针尖之间的接触情况，原子力显微镜有3种不同的工作模式：接触式，轻敲式和非接触式。Z常用的是接触式的轻敲模式原子力显微镜。

　　1、接触模式原子力显微镜

　　在接触模式原子力显微镜中，针尖始终与样品接触，样品扫描时，针尖在样品表面上滑动，针尖-样品间的相互作用力是两者原子间存在的库仑排斥力。

　　接触模式原子力显微镜通常产生稳定、高分辩图像。但它在研究低弹性模量的样品时也存在一些缺陷。探针在样品表面上的移动以及针尖-表面间的粘附力有可能使样品产生一定程度的变形，并会损坏探针，从而影响图像的质量和真实性。

　　2、非接触式原子力显微镜

　　非接触式原子力显微镜对应的针尖-样品间距在几到几十纳米的吸引力区域，针尖-样品作用力比接触式的小几个数量级，因此直接测量力的大小比较困难。

　　非接触式原子力显微镜的工作原理就是，以略大于微悬臂自由共振频率的频率驱动微悬臂，当针尖接近样品表面时，微悬臂的振幅显著减小。振幅的变化量对应于作用在微悬臂上的力梯度，因此对应于针尖-样品间距。反馈系统通过调整针尖-样品间距使得微悬臂的振幅在扫描过程中保持不变，就可以得到样品的表面形貌像。

　　但是非接触原子力显微镜由于针尖-样品距离较大，因此分辩力比接触式的低。在非接触模式中，针尖与样品间的作用力是很小的，这时研究柔软的或有弹性的表面很适合。非接触模式有另外一个优点的针尖始终不与样品表面接触，因而针尖不会对样品造成污染。此模式的操作相对难些，其应用也比较少。

　　3、轻敲模式原子力显微镜

　　轻敲模式原子力显微镜是介于接触模式和非接触模式之间的一种工作模式。扫描过程中在共振频率附近以更大的振幅(>20nm)驱动微悬臂，使得针尖与样品表面间断地接触。当针尖没有接触到表面时，微悬臂以一定的大振幅振动，当针尖接近表面直至轻轻接触表面时，其振幅将减小;而当针尖反向远离表面时，振幅又恢复到原先的大小。反馈系统根据检测该振幅，不断调整针尖-样品之间的距离来控制微悬臂的振幅，使得作用在样品上的力保持恒定。由于针尖同样品接触，分辩力几乎同接触式同样好;又因为接触非常短暂，剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失。

　　轻敲模式原子力显微镜适合于分析研究柔软、针尖和脆性的样品。在轻敲模式原子力显微镜中，微悬臂是振荡的并具有较大的振幅，针尖在振荡周期是间断地与样品接触。由于针尖与样品接触，分辩率通常与接触模式可比，但因为接触是短暂的，就大大降低了对样品的损伤，很适合用于生物分子的成像。

轻敲模式原子力显微镜的优越性

　　与轻敲模式原子力显微镜相比，接触模式原子力显微镜的分辨率相对要高一些，但轻敲模式原子力显微镜有其突出的优点。它在一定程度上减小样品对针尖的粘滞现象，因为针尖与样品表面接触时，利用其振幅来克服针尖一样品问的粘附力。并且由于轻敲模式原子力显微镜作用力是垂直的，表面材料受横向摩擦力和剪切力的影响都比较小，减小扫描过程中针尖对样品的损坏。所以对于较软以及粘性较大的样品，尽量选用轻敲模式原子力显微镜。

　　轻敲模式原子力显微镜，可以同时采集高度信息和相位信息，在得到形貌图的同时，通过相检测系统可以同时得到相图。同一般检测系统一样，相检测用悬臂反射或振幅变化来采集形貌图，与此同时，通过监测相位差的变化来获得样品表面相分布和性质信息。

　　轻敲模式原子力显微镜的相检测是指监测驱使悬臂振动的输入信号与悬臂振动的输出信号的相位差，相位差的改变是样品表面组分、摩擦、粘弹性和其他性质的综合反映，所以判断起来比较复杂。并且由于样品表面总有一定的高低起伏，所以相位图在采集信息时，样品起伏的边界上相位差也会有所改变，并在相位图上反应出来。因此相位图反应的不仅仅是材料相位的变化，也有部分的形貌信息。甚至在有些样品测试中，相位图比形貌图反应边界更为直观。但总体来说相位图对于识别复合材料中的不同组分以及表面粘性或硬度不同的区域是非常有效的。