原子力(li)顯(xian)微鏡(jing)的功能(neng)和原理

AtomicForceMicroscope 原子力(li)顯(xian)微鏡(jing) ,AFM，是(shi)壹種用(yong)於研(yan)究(jiu)固(gu)體材料(liao)表(biao)面結(jie)構(gou)的分析(xi)儀(yi)。該(gai)系統(tong)利(li)用(yong)探(tan)測(ce)被測樣(yang)品(pin)表(biao)面與(yu)微量力(li)敏(min)元(yuan)件(jian)之(zhi)間具(ju)有(you)非(fei)常(chang)微弱(ruo)的原子間相(xiang)互作用(yong)力(li)，研(yan)究(jiu)了(le)物(wu)質(zhi)的表(biao)面結(jie)構(gou)及(ji)其(qi)性質(zhi)。把(ba)壹對弱(ruo)力(li)極(ji)敏(min)感(gan)的微懸(xuan)臂(bi)壹端(duan)固(gu)定在(zai)壹端(duan)，另壹端(duan)的微小(xiao)針尖(jian)靠(kao)近(jin)樣(yang)品(pin)，當與(yu)樣(yang)品(pin)相互作用(yong)時(shi)，作用(yong)力(li)會(hui)使(shi)懸(xuan)臂(bi)變(bian)形(xing)或改(gai)變(bian)運動(dong)狀態(tai)。用傳(chuan)感(gan)器對掃(sao)描樣(yang)品(pin)進行測(ce)量，可以(yi)得(de)到(dao)力(li)場分(fen)布(bu)的信息(xi)，從而獲得(de)材(cai)料的納米(mi)尺(chi)度的表(biao)面結(jie)構(gou)信(xin)息和表(biao)面粗(cu)糙度信(xin)息。

運作方式(shi)：

AFM工作原理

在(zai)壹端(duan)固(gu)定壹端(duan)，另壹端(duan)有(you)壹小(xiao)針，針尖(jian)與(yu)試(shi)樣(yang)表(biao)面輕(qing)輕(qing)地(di)接觸(chu)，對弱(ruo)力(li)非(fei)常(chang)敏感(gan)。因為針尖(jian)尖(jian)原子與(yu)樣(yang)品(pin)表(biao)面原子之間存在(zai)很弱(ruo)的作用(yong)力(li)，使(shi)得(de)懸(xuan)臂(bi)產(chan)生(sheng)微小(xiao)的偏轉(zhuan)。該(gai)方法通(tong)過(guo)對掃(sao)描各(ge)點位(wei)置變(bian)化進行檢(jian)測(ce)，利(li)用(yong)反(fan)饋(kui)控制(zhi)其(qi)排斥(chi)力(li)的恒(heng)定，實現(xian)了(le)對掃(sao)描各(ge)點位(wei)置變(bian)化的測量，從而得(de)到(dao)樣(yang)品(pin)表(biao)面形(xing)貌圖(tu)像(xiang)。

運行方式(shi)：

AFM的工作方式(shi)按針尖(jian)和試(shi)樣(yang)的作用(yong)方式(shi)進行分(fen)類(lei)。觸(chu)擊(ji)式(shi)(contactmode)、不觸(chu)擊(ji)式(shi)(non-contactmode)和敲擊(ji)式(shi)(tappingmode)三種操(cao)作方式(shi)。

AFM工作模式(shi)的研(yan)究(jiu)。

觸(chu)點(dian)方式(shi)：

觸(chu)擊(ji)方式(shi)是AFM最直(zhi)接的成像(xiang)方式(shi)，從概念上理解。在(zai)AFM掃(sao)描成(cheng)像過(guo)程(cheng)中，探針針尖(jian)和試(shi)樣(yang)表(biao)面始(shi)終(zhong)保(bao)持緊(jin)密接(jie)觸(chu)，互相作用(yong)為(wei)排斥(chi)力(li)。由(you)懸(xuan)臂(bi)作用(yong)於針尖(jian)的作用(yong)力(li)會(hui)破(po)壞樣(yang)品(pin)的表(biao)面結(jie)構(gou)，從而使掃(sao)描時(shi)所受(shou)的壓(ya)力(li)範(fan)圍(wei)為(wei)10~10-6N。如果試樣(yang)表(biao)面柔(rou)軟(ruan)，承受(shou)不了(le)這(zhe)種作用(yong)力(li)，則(ze)不宜(yi)選擇(ze)接觸(chu)方式(shi)對試(shi)樣(yang)表(biao)面成(cheng)像(xiang)。

無(wu)觸(chu)點(dian)方式(shi)：

當懸(xuan)臂(bi)在(zai)距(ju)樣(yang)品(pin)表(biao)面以(yi)上5~10nm的距(ju)離上振動時(shi)，非接(jie)觸(chu)方式(shi)探測樣(yang)品(pin)表(biao)面。在(zai)這(zhe)段時(shi)間內，試(shi)樣(yang)和針尖(jian)的相互作用(yong)是(shi)由範德華力(li)控(kong)制(zhi)的，壹般為(wei)10-12N，試樣(yang)不會(hui)被破壞(huai)，且(qie)針尖(jian)不受(shou)汙(wu)染，尤其(qi)適用於對柔(rou)軟(ruan)物(wu)體的研(yan)究(jiu)。該(gai)運行方式(shi)的缺點是(shi)，該(gai)模式(shi)很難在(zai)室(shi)溫大(da)氣環(huan)境中實現(xian)。由於試樣(yang)表(biao)面不可避免地會積聚壹層水(shui)份(fen)，所以(yi)就在(zai)試(shi)樣(yang)和針尖(jian)之間搭(da)起(qi)壹小(xiao)片毛(mao)細橋，使針尖(jian)和表(biao)面接(jie)觸(chu)，從而增(zeng)加針頭對表(biao)面的壓(ya)力(li)。

擊(ji)打方式(shi)：

擊(ji)打方式(shi)介(jie)於觸(chu)擊(ji)式(shi)與(yu)不觸(chu)擊(ji)式(shi)之間，屬(shu)於雜化性概念。試樣(yang)表(biao)面上方的懸(xuan)臂(bi)以(yi)共振頻(pin)率振蕩，而針尖(jian)只是(shi)周期(qi)性(xing)地與(yu)樣(yang)品(pin)表(biao)面接(jie)觸(chu)/撞擊(ji)。也(ye)就是說(shuo)，針尖(jian)與(yu)樣(yang)品(pin)接觸(chu)時(shi)，產(chan)生(sheng)的側(ce)向(xiang)力(li)將(jiang)顯(xian)著降低(di)。所以(yi)，在(zai)對柔(rou)軟(ruan)試(shi)樣(yang)進行檢(jian)測(ce)時(shi)，AFM敲擊(ji)方式(shi)是。當AFM開(kai)始(shi)對樣(yang)本進行成(cheng)象(xiang)掃(sao)描後，設(she)備(bei)立(li)即(ji)將相(xiang)關(guan)數據(ju)輸入(ru)系統(tong)，例(li)如(ru)表(biao)面粗(cu)糙度，平(ping)均(jun)高(gao)度，峰谷(gu)頂(ding)點之(zhi)間的距(ju)離等(deng)，用(yong)於物(wu)體表(biao)面分(fen)析(xi)。此外，AFM還能(neng)完(wan)成測(ce)力(li)工(gong)作，通(tong)過(guo)測量懸(xuan)臂(bi)彎(wan)折度來(lai)確定針尖(jian)和試(shi)樣(yang)的受(shou)力(li)大(da)小(xiao)。

三種模式(shi)對比：

觸(chu)擊(ji)模式(shi)(ContactMode)：

優(you)勢(shi)：掃描速(su)度快(kuai)，是AFM在(zai)垂(chui)直(zhi)方向(xiang)發生(sheng)明顯(xian)變(bian)化的能(neng)得(de)到(dao)“原子分辨率(lv)"圖(tu)像(xiang)的硬(ying)質(zhi)樣(yang)品(pin)，有時(shi)更適合用(yong)ContactMode掃(sao)描。

劣(lie)勢(shi)：側(ce)向(xiang)力(li)影(ying)響(xiang)圖(tu)像(xiang)質(zhi)量。由(you)於樣(yang)品(pin)表(biao)面的毛(mao)細作用(yong)，使(shi)得(de)針尖(jian)和試(shi)樣(yang)之間的粘附(fu)力(li)非(fei)常(chang)強。側(ce)向(xiang)力(li)和(he)粘(zhan)著力(li)的聯(lian)合作用(yong)使(shi)圖(tu)象(xiang)的空間分(fen)辨(bian)率(lv)下(xia)降，而針尖(jian)刮(gua)傷(shang)樣(yang)品(pin)也(ye)會破壞軟質(zhi)樣(yang)品(pin)(例(li)如(ru)生(sheng)物(wu)樣(yang)品(pin)、聚合(he)體等(deng))。

不觸(chu)擊(ji)模式(shi)(Non-contactMode)：

好處(chu)：不需(xu)受(shou)試(shi)樣(yang)面。

缺陷：由於針尖(jian)從試(shi)樣(yang)上分離，橫(heng)向(xiang)分辨(bian)率較(jiao)低(di)；為(wei)避免與(yu)吸(xi)附層接(jie)觸(chu)而造成(cheng)針尖(jian)膠的粘連(lian)，掃(sao)描速(su)度較(jiao)慢(man)。壹般只(zhi)在(zai)怕水的樣(yang)品(pin)上使用，吸(xi)收液(ye)層必(bi)須(xu)薄，如果(guo)過(guo)厚，針尖(jian)就會落(luo)入(ru)液(ye)體層，造(zao)成反饋(kui)不穩(wen)定，刮(gua)擦(ca)試樣(yang)。因為以(yi)上缺陷，non-contactMode的使用(yong)是(shi)有限的。

敲擊(ji)模式(shi)(TappingMode)：

優(you)勢(shi)：可以(yi)很好地消(xiao)除側(ce)向(xiang)力(li)。減(jian)小(xiao)了(le)吸(xi)收液(ye)層所產(chan)生(sheng)的成像(xiang)分(fen)辨率高(gao)、適合觀(guan)察(cha)軟(ruan)質(zhi)、易碎(sui)、膠粘(zhan)性的樣(yang)品(pin)，不會(hui)對其(qi)表(biao)面造(zao)成(cheng)損(sun)傷。

劣(lie)勢(shi)：掃描速(su)度比ContactMode慢(man)。：

AFM優(you)勢(shi)：

AFM技術樣(yang)品(pin)制備(bei)簡(jian)便(bian)，甚至不需(xu)處(chu)理，對樣(yang)品(pin)破壞(huai)性(xing)遠(yuan)小(xiao)於其(qi)它常(chang)用(yong)方法。

AFM可以(yi)在(zai)包(bao)括(kuo)空(kong)氣(qi)、液(ye)體和真空在(zai)內的各(ge)種環(huan)境中工作，生(sheng)物(wu)分子可以(yi)在(zai)生(sheng)理條(tiao)件(jian)下(xia)直(zhi)接成像(xiang)，也(ye)可以(yi)實時(shi)觀(guan)測活(huo)細胞的運動(dong)狀(zhuang)態。