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超級干貨丨原子力顯微鏡（AFM）：全網(wǎng)最全干貨大合集，你想要的都在這里…

來源：測試GO 時間：2020-11-30 16:55:09 瀏覽：12070次

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AFM機(jī)器

什么是原子力顯微鏡（AFM）？

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope ，AFM），通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，可以在大氣和液體環(huán)境下對各種材料和樣品進(jìn)行納米區(qū)域的物理性質(zhì)包括形貌進(jìn)行探測，或者直接進(jìn)行納米操縱。

AFM現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、納米功能材料、化工、生物研究和科研院所各種納米相關(guān)學(xué)科的研究實驗等領(lǐng)域中，成為納米科學(xué)研究的基本工具。為了讓小伙伴們對AFM有快速、全面的了解，我們特意準(zhǔn)備了“AFM超級干貨”，共分為工作原理、成像模式、制樣要求、軟件操作及圖像處理、經(jīng)驗干貨和實際應(yīng)用六部分進(jìn)行介紹，希望能對材料人們的研究工作提供幫助，助力大家迅速成長為AFM達(dá)人。

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【AFM工作原理】

如下圖所示，當(dāng)針尖接近樣品時，針尖受到力的作用使懸臂發(fā)生偏轉(zhuǎn)或振幅改變。懸臂的這種變化經(jīng)檢測系統(tǒng)檢測后轉(zhuǎn)變成電信號傳遞給反饋系統(tǒng)和成像系統(tǒng)，記錄掃描過程中一系列探針變化就可以獲得樣品表面信息圖像。

AFM工作原理示意圖

假設(shè)兩個原子一個是在懸臂的探針尖端，另一個是在樣本的表面，它們之間的作用力會隨距離的改變而變化，其作用力與距離的關(guān)系如下圖所示，當(dāng)原子與原子很接近時，彼此電子云斥力的作用大于原子核與電子云之間的吸引力作用，所以整個合力表現(xiàn)為斥力的作用，反之若兩原子分開有一定距離時，其電子云斥力的作用小于彼此原子核與電子云之間的吸引力作用，故整個合力表現(xiàn)為引力的作用。原子力顯微鏡就是利用原子之間微妙的關(guān)系來把原子樣子給呈現(xiàn)出來。

AFM工作原理示意圖

【AFM成像模式】

原子力顯微鏡有三種基本成像模式，它們分別是接觸式(Contact mode)、非接觸式(non-contact mode)、輕敲式(tapping mode)。

1、接觸式

AFM工作原理示意圖

接觸式AFM是一個排斥性的模式，探針尖端和樣品做柔軟性的“實際接觸”，當(dāng)針尖輕輕掃過樣品表面時，接觸的力量引起懸臂彎曲，進(jìn)而得到樣品的表面圖形。由于是接觸式掃描，在接觸樣品時可能會是樣品表面彎曲。經(jīng)過多次掃描后，針尖或者樣品有鈍化現(xiàn)象。

特點：通常情況下，接觸模式都可以產(chǎn)生穩(wěn)定的、分辨率高的圖像。但由于針尖在樣品表面上滑動及樣品表面與針尖的粘附力，可能使得針尖受到損害，樣品產(chǎn)生變形，故對不易變形的低彈性樣品存在缺點，不適用于研究生物大分子、低彈性模量樣品以及容易移動和變形的樣品。

2、非接觸式

AFM工作原理示意圖

在非接觸模式中，針尖在樣品表面的上方振動，始終不與樣品接觸，探測器檢測的是范德華作用力和靜電力等對成像樣品沒有破壞的長程作用力。需要使用較堅硬的懸臂（防止與樣品接觸）。所得到的信號更小，需要更靈敏的裝置，這種模式雖然增加了顯微鏡的靈敏度，但當(dāng)針尖和樣品之間的距離較長時，分辨率要比接觸模式和輕敲模式都低。

特點：由于為非接觸狀態(tài)，對于研究柔軟或有彈性的樣品較佳，而且針尖或者樣品表面不會有鈍化效應(yīng)，不過會有誤判現(xiàn)象。這種模式的操作相對較難，通常不適用于在液體中成像，在生物中的應(yīng)用也很少。

3、輕敲式

微懸臂在其共振頻率附近做受迫振動，振蕩的針尖輕輕的敲擊表面，間斷地和樣品接觸。當(dāng)針尖與樣品不接觸時，微懸臂以最大振幅自由振蕩。當(dāng)針尖與樣品表面接觸時，盡管壓電陶瓷片以同樣的能量激發(fā)微懸臂振蕩，但是空間阻礙作用使得微懸臂的振幅減小。反饋系統(tǒng)控制微懸臂的振幅恒定，針尖就跟隨表面的起伏上下移動獲得形貌信息。

AFM工作原理示意圖

特點：對樣品的損害很小，適用于柔軟、易脆和粘附性較強(qiáng)的樣品，且不對它們產(chǎn)生破壞。這種模式在高分子聚合物的結(jié)構(gòu)研究和生物大分子的結(jié)構(gòu)研究中應(yīng)用廣泛。其缺點是掃描速度比接觸模式要慢。

AFM工作原理示意圖

【AFM制樣要求】

1）AFM制樣對樣品導(dǎo)電與否沒有要求，可以很平也可以不那么平，對表面光潔度有一定要求，測量范圍比較廣泛。

2）適用于多種環(huán)境，可在真空，空氣和溶液中進(jìn)行。

AFM工作原理示意圖

【AFM軟件操作及圖像處理】

AFM工作原理示意圖

【AFM經(jīng)驗干貨】

AFM工作原理示意圖

【AFM實際應(yīng)用】

AFM工作原理示意圖

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