AFM操作模式详解：基本原理与应用

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：图3-49AFM的三种操作模式在接触模式中，针尖始终与样品接触。非接触式AFM的工作原理是：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。但模式的操作相对难些，其应用也比较少。轻敲模式适合于分析研究柔软、黏性和脆性的样品。而轻敲模式介于两者之间，探针始终保持一定的振幅在振动，扫描过程中和样品间歇性接触，针尖和样品之间的作用力是引力和斥力交替变化。图3-50AFM的力—距离曲线

根据样品与针尖的接触情况，AFM有三种不同的操作模式：接触模式、非接触模式和轻敲模式（见图3-49）。

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图3-49　AFM的三种操作模式

在接触模式中，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，大小为10-11～10-8N。接触模式可以产生稳定、高分辨率的图像，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—表面间的黏附力会使样品产生一定程度的变形，并会损坏针尖，从而影响图像的质量和真实性。

在非接触模式中，针尖和样品之间的距离保持在几纳米到几十纳米之间，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AFM的工作原理是：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AFM由于针尖—样品距离较大，因此分辨率比接触式的低。在非接触模式中，针尖与样品间的作用力是很小的，适合于研究柔软的或有弹性的表面。非接触模式另外一个优点是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。但模式的操作相对难些，其应用也比较少。

轻敲模式是介于接触模式和非接触模式之间的一种操作模式。扫描过程中在共振频率附近以更大的振幅（＞20 nm）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。反馈系统根据检测到的振幅，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，分辨率几乎同接触模式一样好；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。轻敲模式适合于分析研究柔软、黏性和脆性的样品。在轻敲模式中，微悬臂是振荡的并具有较大的振幅，针尖在振荡周期内间断地与样品接触。由于针尖与样品接触，分辨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，适合用于生物分子的成像。图3-49显示了三种操作模式的区别。接触模式中针尖和样品始终接触，它们之间的作用力始终为斥力。非接触模式依靠范德华力和静电力等长程作用力成像，针尖和样品之间的作用力始终为吸引力。而轻敲模式介于两者之间，探针始终保持一定的振幅在振动，扫描过程中和样品间歇性接触，针尖和样品之间的作用力是引力和斥力交替变化。

此外，原子力显微镜的另外一种重要的测量方法是力—距离曲线，它包含了丰富的针尖—样品之间相互作用的信息（如图3-50所示）。当探针接近、甚至压入样品表面、随后离开的过程中，同时测量并记录探针所受到的力，通过分析针尖—样品之间的相互作用力，就能够了解样品表面局域的各种性质，可应用于表面科学、材料工程、生物化学和生物学等多个领域。

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图3-50　AFM的力—距离曲线

AFM操作模式详解：基本原理与应用

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