原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种常见的扫描探针显微镜，它利用微臂探针与样品原子力之间的相互作用来探测材料表面结构。当探针接近样品时，两者间的作用力会使微悬臂发生偏转或振幅变化。这些微小的变化通过光杠杆放大后被检测系统捕捉并转化为电信号，传递给反馈系统和成像系统（如下图）。通过记录扫描过程中探针的一系列变化，以获得表面形貌结构信息。

 

AFM系统结构图

 

扫描示意图（动图）

 

探针针尖与样品相互作用力与相对位置关系

 

　　根据使用时利用的探针与样品之间作用力与位移关系曲线的区间不同，AFM的成像模式可以分为以下三种：

　　（1）接触模式：AFM探针的针尖与样品表面接触，并且保证二者之间的距离保持在一个恒定的值，使得针尖与样品表面原子之间的相互作用力保持稳定。这种作用力的保持可以通过控制微探针使其保持一定的弯曲程度来实现。在这一过程中，因样品表面起伏造成的探针弯曲程度变化可以通过压电台来补偿使其回到原状，补偿的位移即为样品表面的形貌信息。

 

　　（2）轻敲模式：探针的针尖以共振频率在样品表面上方振动。探针的针尖“敲击”到样品表面。当探针与样品之间的距离改变时，探针受到的作用力会改变，使得探针振动的振幅也会发生变化。根据振幅变化，确定样品的形貌

 

　　（3）非接触模式：探针的针尖悬浮在样品表面上方，不直接接触。虽然探针不直接接触样品，但针尖与样品之间仍存在相互吸引作用力。通过检测相互作用力的变化，可以获得样品表面形貌的信息。

 

　　AFM的优点：

　　（1）高分辨率：AFM具有原子级别的分辨率，可以观察到样品表面的微小细节，AFM提供真正的三维表面图，不仅限于二维图像。

 

基于轻敲模式成像HOPG（B级）单原子层台阶

 

　　（2）无损检测：AFM不需要对样品进行特殊处理。这避免了对样品造成不可逆转的伤害，并且在检测的过程中使用非接触和轻敲模式几乎不会对样品表面造成损伤。

 

基于非接触模式1.5nm碳化硅台阶成像

 

　　（3）适用性广泛：AFM不仅适用于导体样品，还适用于非导体样品。它可以用于研究各种材料，包括绝缘体、生物材料和纳米功能材料。

 

基于轻敲模式氧化铝晶须成像

 

　　总体来说，AFM是一种强大的表面分析工具，它在纳米科技、材料科学、生物医学等多个领域中都有着不可或缺的作用。AFM的高分辨率成像能力、对各种样品的适用性以及在不同环境下的操作灵活性，使其成为了研究纳米世界的重要窗口。无论是在固体还是液体中，AFM都能提供关键的表面和原子层面的信息，从而推动科学研究和技术发展的新篇章。