AFM技术原理及相关测试模式

AFM原子力显微镜的原理

AFM全称Atomic Force Microscope，此前STM由于原理的限制只能测导体和部分半导，AFM原子力显微镜出来后弥补了STM的不足。AFM是在STM的基础上发展起来的。

STM

STM利用量子理论中的隧道效应，当样品与针尖的距离非常接近时在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。隧道电流强度对针尖与样品表面之间距非常敏感，距离越小隧道电流将增加，所以利用电子反馈线路控制隧道电流的恒定，并控制针尖在样品表面的扫描，则探针高低的变化就反映出了样品表面的起伏。

AFM

利用原子间的范德华力作用，来呈现样品的表面特性。当原子间距离减小到一定程度以后，原子间的作用力将迅速上升。将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力。因此，由显微探针受力在垂直于样品的表面方向起伏运动的大小就可以直接换算出样品表面的高度，获得样品表面形貌的信息，过程中我们可以恒定力量也可以恒定高度。

AFM的常用三种模式如何选择？

接触模式

接触模式探针尖端和样品做“柔性接触”，接触力引起悬臂弯曲进而得到表面图像，但是可能使样品表面弯曲，长时间后针尖有钝化现象影响图像质量出现误判，接触模式可以产生稳定的、分辨率高的图像。但是由于接触所以容易变形、移动的样品不适合。

非接触模式

针尖在样品上方振动，不与样品接触，探测器检测的是范德华作用力和静电力等作用力，该模式要求显微镜的灵敏度更高，当针尖和样品距离太长时，分辨率比其他模式都要低。适用于柔软、有弹性的样品。

轻敲（间歇性接触）模式

微悬臂做受迫振动，振荡的针尖轻轻敲击样品表面，间断的和样品接触，反馈系统控制微悬臂的振幅恒定，针尖就跟随表面起伏上下移动进而获得形貌信息。轻敲模式比非接触模式靠近样品，比接触模式对样品伤害更少，也能得到和接触模式一样的分辨率。适用于一些不牢固的样品，像生物大分子这样的软样品也比较适合。样品表面起伏较大的大型扫描比非接触的更有效。

其他扩展

后来在AFM基础上发展起来很多满足其他测试功能的显微镜。

压电力显微镜(PFM)即是在AFM基础上发展起来利用原子力显微镜导电探针检测样品的在外加激励电压下的电致形变量的显微镜。

光诱导力显微镜 (Photo-induced Force Microscope, PiFM) 通过脉冲激光激发至样品和针尖，样品吸收特定波长的激发光后与针尖尖端形成偶极与偶极（电子云与电子云）的交互即样品吸收特定红外波长后所产生的偶极矩变化。可以同时获得AFM形貌图和PiFM光诱导力图（极化分布/特定波长吸收）。可以测得10 nm空间分辨的可见~红外吸收，也可以测得10 nm空间分辨的电磁场强。

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