原子力显微镜的基本原理及其方法学研究(1)
原子力显微镜的基础原理与应用
原子力显微镜的基础原理与应用原子力显微镜（AFM）是一种高分辨率的表面成像技术，能够获得非常详细的包括原子尺度的表面形貌和力学信息。
最初的AFM是1986年由IBM的Gerd Binnig、Calvin Quate和Chrstof Gerber发明的。
它通过感知样品表面的原子间相互作用来探测并成像局部表面形貌和力学性质。
此技术在许多领域，如材料科学、纳米技术、生物科学和表面化学中都得到了广泛的应用。
AFM的基本原理是利用微小弹性探针（cantilever）的尖端来扫描样品表面，并通过原子间力学相互作用来确定样品表面形貌及力学性质。
所谓的微小弹性探针通常是非常细且小的硅片或石墨块制成的。
探针尖端下方悬挂一小块反射镜，而探针的震荡则是由一个光束反射仪来监测的。
这种光学监测技术能够测量微小弹性探针的位移以及响应变化，从而获得关于样品表面形貌和力学性质的信息。
AFM的实现有多种方式，最常见的方式是接触式AFM和非接触式AFM。
接触式AFM是通过在探针尖端施加机械压力的方式来感知样品表面，以获得更高的分辨率。
然而，由于力的作用，接触式AFM容易损伤样品表面，因此需要更谨慎的操作，适用于坚硬样品的成像。
非接触式AFM则利用微小探针与表面的相互作用，通过震荡探针的方式探测样品表面，避免了损伤样品表面的问题，适用于更广泛的材料和样品类型的成像。
AFM的应用非常广泛，覆盖了科学与工业领域几乎所有方面。
例如，在材料科学领域，AFM可以用于分析和设计表面形貌和结构，以改善材料的性能和功能。
在生物医学领域，AFM可用于分析细胞结构和组织学，以及生物分子之间的相互作用。
在微电子学和纳米技术领域，AFM被广泛用于研究和制造纳米结构和器件。
另外，AFM还应用在石油勘探、环境科学和天文学等其他领域。
AFM可以成像的性质非常丰富，包括表面形貌、局部物理和化学性质、磁性、光谱和力学性质等，可以为不同领域提供的不同需要的信息。
总之，原子力显微镜的出现引领了科学与技术领域的一次革命。
原子力显微镜原理介绍
原子力显微镜原理介绍原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种利用原子力相互作用的显微镜，可以在原子尺度上对样品表面进行高分辨率的成像。
AFM具有高分辨率、高灵敏度、无需对样品进行特殊处理等优点，被广泛应用于材料科学、生物科学等领域。
AFM的原理基于力电荷耦合作用。
当扫描探针和样品表面之间存在距离时，由于它们之间的静电力、范德华力及表面张力等作用，会使探针弯曲。
AFM通过在探针上施加压电力来对探针进行调节，使与样品表面的相互作用力保持恒定，从而测量得到探针的形变信息。
通过对形变信息的处理，可以得到样品表面的三维拓扑图像。
AFM的核心组成部分是扫描探头和力传感器。
扫描探头通常由一个尖端和一段弯曲的弹簧杆组成。
尖端的大小一般在纳米尺度，可以用于成像不同大小和形状的样品。
弹簧杆的弯曲情况则是通过力传感器来测量的。
在AFM操作过程中，首先将样品固定在一个大型可移动的扫描平台上。
然后，将扫描探头靠近样品表面，使其与样品之间的距离保持在1-10纳米的量级范围内。
通过扫描平台的控制，可以使探针在样品表面上进行扫描。
当探针在样品表面上移动时，它所受到的相互作用力会随着扫描位置的改变而改变。
根据探针的形变，可以准确测量样品表面的高程和形貌信息。
AFM可以通过不同的模式进行操作，常见的模式包括接触模式、非接触模式和振动模式等。
接触模式是最常用的模式，通过将探针与样品表面保持接触，测量形变信息。
非接触模式则是通过探针与样品表面之间的范德华力进行作用，避免了对样品的破坏。
振动模式则是通过控制探针的共振频率来得到形变信息。
AFM不仅可以提供样品表面形貌信息，还可以测量样品的力学性质。
通过改变探针与样品表面之间的相互作用力的大小和方向，可以测量样品的硬度、弹性模量等力学参数。
总之，原子力显微镜是一种利用原子力相互作用实现高分辨率成像的显微镜。
通过测量探针的形变信息，可以获得样品表面的三维拓扑图像和力学性质。
原子力显微镜的原理及应用
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等信息。
接触热力学探头等，获得更多的表面物
理性质信息。
3
数据图像处理
通过对采集的数据和图像进行处理和分 析，实现对样品表面形貌、力学性质等 信息的定量研究。
原子力显微镜的优势和局限性
优势
高分辨率、高精度、高灵敏度的观测和表征能 力。
局限性
不能直接观测样品三维结构，对样品表面有要 求，无法观测活体生物样品。
原子力显微镜在材料科学中的应用
材料表征
原子力显微镜可以对各种材料进行表征研究，例如 纳米粒子、原子层材料、碳纳米管等。
材料力学性质
原子力显微镜可以实现对材料力学性质的高精度测 试，如硬度、弹性、塑性等。
原子力显微镜在生物科学中的应用
1
生物样品表征
原子力显微镜可以对生物细胞、蛋白质、分子等进行表征和成像，为生物学中的 结构研究提供了高分辨率的手段。
原子力显微镜的原理及应 用
原子力显微镜，是一种基于扫描探针显微技术的高分辨率显微镜。它是现代 科学领域中不可或缺的工具之一，被广泛应用于材料科学、生物科学和纳米 技术领域。
原子力显微镜的基本原理
原子结构
原子力显微镜是基于原子结构的探测原理，通过探 测力的作用，实现对样品进行微观的表面观测和分 析。
2
材料学和生物学的融合
利用原子力显微镜的高分辨率和灵敏度，可以实现生物和材料科学的融合，如生 物医学材料的研究和开发等。
原子力显微镜在纳米技术中的应用
纳米材料成像
原子力显微镜可以实现对纳米粒 子、溶胶凝胶等纳米材料的表征 和成像。
纳米器件制造
利用原子力显微镜的纳米级控制 能力，可以实现各种纳米器件的 制造和加工，如纳米电路、存储 器等。
@原子力显微镜的基本原理及其方法学研究
以光学显微镜、电子显微镜、扫描隧道显微镜为代表的一系列先进显微技术的出现与应用，为人类科技和社会进步做出了巨大贡献。
１９８６年，ＩＢＭ公司的Ｇ．Ｂｉｎｎｉｎｇ和斯坦福大学的Ｃ．Ｆ．Ｑｕａｔｅ及Ｃ． Ｇｅｒｂｅｒ合作发明的原子力显微镜（Ａｔｏｍｉｃ ＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ， ＡＦＭ）［１］更是突出地显现了显微观测技术作为人类视觉感官功能的延伸与增强的重要性，它是在扫描隧道显微镜基础上为观察非导电物质经改进而发展起来的分子和原子级显微工具。
对比于现有的其它显微工具，原子力显微镜以其高分辨、制样简单、操作易行等特点而备受关注，并已在生命科学、材料科学等领域发挥了重大作用，极大地推动了纳米科技的发展，促使人类进入了纳米时代。
国际上有关ＡＦＭ的研究和应用的文章层出不穷，并已经取得了辉煌的成就；国内也有一些研究成果，但总体来说质量不高，这与我国低的ＡＦＭ普及率和使用率不无关系；另外，目前在国内还未发现完整介绍ＡＦＭ成像原理、基本构成、工作模式、操作性能及仪器功能发展的文章出现。
基于此，文章结合ＷＥＴ－ＳＰＭ－９５００Ｊ３型显微镜对ＡＦＭ做一次全面的介绍和探讨。
１ 原子力显微镜的成像原理ＡＦＭ是用一端固定而另一端装有纳米级针尖的弹性微悬臂来检测样品表面形貌的。
当样品在针尖下面扫描时，同距离密切相关的针尖－样品相互作用（见图３）就会引起微悬臂的形变。
也就是说，微悬臂的形变是对样品－针尖相互作用的直接反映［１］。
通过检测微悬臂产生的弹性形变量ΔＺ， 就可以根据微悬臂的弹性系数ｋ和函数式Ｆ＝ｋ・ΔＺ直接求出样品－针尖间相互作用Ｆ。
ＡＦＭ利用照射在悬臂尖端的激光束的反射接收来检测微悬臂的形变。
由于光杠杆作用原理，即使小于０．０１ｎｍ的微悬臂形变也可在光电检测器上产生１０ｎｍ左右的激光点位移，由此产生的电压变化对应着微悬臂的形变量，通过一定的函数变换便可得到悬臂形变量的测量值［２］。
当样品在ＸＹ平面内扫描时（对某一点其坐标为［ｘ，ｙ］），若保持样品在Ｚ轴方向静止，且令探针的竖直初始位置为零，则可根据针尖－样品相互作用与间距的关系（如图３曲线所示）得到样品表面的高度变化信息Δｈ（ｘ，ｙ），即样品表面任意点（ｘ，ｙ）相对于初始位点的高度。
原子力显微镜的原理
原子力显微镜的原理简介原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种高分辨率的显微镜，可以在原子尺度下观测到样品表面的形态和性质。
它是由瑞士物理学家高罗芙发明的，于1986年首次制成。
由于其高分辨率、准确性和大范围性能，AFM已成为实验室中非常常见的一种工具，用于研究物质的表面形貌和力学性质。
原理AFM的本质是利用了原子间力的作用。
原子之间存在相互之间的引力或排斥力，这种相互作用称为范德华力，这种力在成分间隔得很远时迅速减小并变成吸引力，在范围增加时，其值减小得更加缓慢。
离得更近时，原子间的作用力变得更强，呈现出排斥态。
在AFM中，探测器与样品之间存在范德华力作用，这种范德华力作用可以被高精度的步进电动马达所识别，并可通过计算机进行数据分析，用于实现对样品表面的成像。
组成AFM的核心部件有扫描探針、扫码器、光路系统和计算机系统。
•扫描探针：AFM的感应器，它是一个可移动的小杆状探针，尖端有一块非常小的金属或陶瓷探头。
探针的尖端非常细，只有几个原子的大小，它可以在距离样品很近的情况下扫描样品表面并感应样品表面的行为；•扫描器：探针的扫描由扫描器完成，扫描器是一个便携式机构，可以在三个坐标轴上移动扫描探针，从而可以扫描样品表面的成像；•光路系统：由于扫描器和扫描探针需要精确的控制，这对于光路系统的稳定性和宽带性提出了要求，光路系统提供灰度等级，并可以测量和控制扫描探针的移动；•计算机系统：计算机系统是AFM的大脑，可以控制扫描器进行单层（有机分子层）的扫描，并对样品表面进行高质量成像。
工作原理AFM工作原理的核心是掩护和感应，AFM的扫描头由探针操作，能在离样品表面非常近的地方进行扫描。
当扫描探头靠近样品表面时，原子之间的范德华力开始作用，并显示在探针上，然后计算机通过对范德华力的识别和测量，在样品表面创建出三维成像。
可以通过在输入量和输出量之间找到增益来解释样品表面的范德华力，因此AFM可以测量样品表面非常小的细节。
原子力显微镜的基本原理与应用
原子力显微镜的基本原理与应用作为材料科学中的一项重要工具，原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)可以实现对于物质的高分辨率的三维成像，提供了对于物质的局部微观颗粒状态的详细了解。
它不需要特殊的标记和处理，适用于各种不同形态的应用场景，是当前最为先进的光学性质测试手段之一。
本文将对原子力显微镜的基本原理以及应用做一个简要介绍。
一、基本原理原子力显微镜是一种通过探针测量表面形貌的技术，它能够探测物体表面的特征，包括高度，层析等信息。
与传统的光学显微镜不同，原子力显微镜常常使用细小的探针在样品表面扫描，通过对于样品的局部电化学反应进行分析，进而得到关于样品表面形态信息的表征。
具体来说，原子力显微镜是通过力的探测方式来进行成像的。
探针的测量精度非常高，可以达到亚埃级别的精度，即微米尺度之内的物体都能被精确地探测到。
同时，它还能够提供物体的力学特性等信息，包括物体的弹性、刚性等信息。
二、应用场景1.材料表面成像原子力显微镜在材料科学领域中的一个重要应用是材料表面成像。
通过使用原子力显微镜，我们可以了解到各种材料表面的各种细节信息，包括高度、层析等信息，从而更加深入地了解材料的物理、化学等性质。
2.生物医学应用在生物医学科学领域中，原子力显微镜可以用于单个细胞或微生物的成像和表征。
在这方面的应用中主要是通过原子力显微镜检测这些细胞或微生物表面的变化，比较常见的例子包括癌症细胞成像等。
3.纳米材料研究原子力显微镜在纳米材料研究领域中也有着广泛的应用。
通过它，我们可以了解到纳米材料的表面结构、晶胞等信息，并且可以通过对于这些信息的分析，以提高纳米材料性质的研究水平。
4.电子学研究原子力显微镜可以通过扫描紧密相互作用材料的表面，以了解材料的电学性质等信息。
这种技术在芯片及半导体研究、催化剂研究等领域中有着广泛的应用。
三、总结原子力显微镜是目前最为先进的光学性质测试手段之一，它能够提供关于物质的高分辨率的三维成像等信息。
原子力显微镜工作原理
原子力显微镜工作原理原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种高分辨率的显微镜技术，能够观测并操控物质的微观结构和表面形貌。
它的工作原理基于原子与物质表面之间的相互作用力。
本文将介绍原子力显微镜的工作原理及其相关知识。
一、原子力显微镜的构成原子力显微镜主要包括扫描探针、力传感器、瞬时力回馈系统、图像处理与显示系统等组成。
1. 扫描探针：扫描探针是原子力显微镜的核心部件之一。
它一般由硅或硅的掺杂物制成，具有非常尖锐的尖端。
探针通过控制系统被带动进行扫描，同时可以感受到样品表面的微小力作用。
2. 力传感器：力传感器用于测量样品表面与探针之间的相互作用力。
常见的力传感器有光纤光栅传感器和压电传感器等。
当探针扫描样品表面时，受到的力会在传感器上引起微小的形变，通过测量形变量来得到相互作用力的信息。
3. 瞬时力回馈系统：瞬时力回馈系统用于保持探针与样品表面之间的相互作用力保持恒定。
系统会根据力传感器测得的信号进行实时调整，使得探针对样品表面的作用力保持在一个预设值附近，从而实现对样品表面的准确测量。
4. 图像处理与显示系统：图像处理与显示系统对原子力显微镜获取的图像进行分析和处理，并将结果以图像形式展示出来。
这使得研究人员可以直观地观察到样品表面的形貌和微观结构。
二、原子力显微镜的工作原理原子力显微镜的工作原理基于探针与样品表面之间的相互作用力，该相互作用力主要包括吸附力、排斥力和弹性力等。
1. 吸附力：当探针与样品表面靠近时，由于分子间的吸引作用，存在一定的吸附力。
该吸附力可以反映出样品表面的化学性质和粘附特性。
2. 排斥力：当探针靠近样品表面时，由于电子云的重叠，存在排斥力。
该排斥力可以提供样品表面的纳米级几何拓扑信息。
3. 弹性力：样品表面的弹性力反映出样品的屈服性和力学性质。
通过测量探针在样品表面上下运动时感受到的力，可以得到样品的弹性特征。
原子力显微镜的运行过程大致如下：首先，将探针缓慢靠近样品表面，使得探针尖端与样品表面之间的距离约为几纳米。
原子力显微镜的实验原理和应用
原子力显微镜的实验原理和应用原子力显微镜又称作扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy），是一种高分辨率的表面显微镜。
与传统的光学显微镜和电子显微镜不同，原子力显微镜可以在原子尺度下进行观察，能够接近甚至达到原子级别的分辨率，可以对样品表面的形貌和电学性质进行研究，应用十分广泛。
原理原子力显微镜的基本原理是在样品表面和微小的扫描探头（针尖）之间产生晶格力作用，利用针尖的扫描探测样品表面均匀的电子密度分布。
探头的尖端与样品表面的原子产生相互作用，产生一个吸引或排斥的作用力，这个力的大小和方向都会发生改变，因而在探头和样品表面之间会出现来回晃动的微小变化。
原子力显微镜是通过测量探针与样品表面之间的力来获取样品表面的形貌等信息的。
在扫描的过程中，探针不停地沿着扫描方向（x和y坐标轴）上下震动，保持在一个非常接近于样品表面的距离（一般是几纳米）。
然后就可以计算出样品表面上各个点离探针的距离。
这里所测量到的距离，比传统光学显微镜或电子显微镜的分辨率高很多，并且该技术还可以在空气、液体等多种环境下使用。
应用原子力显微镜具有极高的分辨率，因此应用范围非常广泛。
以下是一些常见的应用领域：1.纳米科学研究原子力显微镜的分辨率可以达到纳米级别，可以研究各种材料在纳米尺度下的表面结构和形貌。
因此，它非常有用于研究纳米科学领域，如纳米材料合成、磁性材料、生物分子等。
2.生物医学研究原子力显微镜可以用来研究生物分子，如蛋白质、DNA、RNA 等，这对研究生物学和医学非常有用。
利用原子力显微镜还可以研究细胞表面的形态学变化、细胞生物物理性质和细胞内分子运动。
3.材料科学研究原子力显微镜的高分辨率使其非常适合研究材料性质、材料表面微观结构、材料加工以及材料在不同条件下的变化。
例如，原子力显微镜可以研究金属、半导体、掺杂材料、催化剂和涂层等材料的表面形貌和电学性质。
4.纳米机器人研究原子力显微镜可以操作单个原子或分子，这为构建纳米机器提供了可能。
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以光学显微镜、电子显微镜、扫描隧道显微镜为代表的一系列先进显微技术的出现与应用，为人类科技和社会进步做出了巨大贡献。
１９８６年，ＩＢＭ公司的Ｇ．Ｂｉｎｎｉｎｇ和斯坦福大学的Ｃ．Ｆ．Ｑｕａｔｅ及Ｃ． Ｇｅｒｂｅｒ合作发明的原子力显微镜（Ａｔｏｍｉｃ ＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ， ＡＦＭ）［１］更是突出地显现了显微观测技术作为人类视觉感官功能的延伸与增强的重要性，它是在扫描隧道显微镜基础上为观察非导电物质经改进而发展起来的分子和原子级显微工具。
对比于现有的其它显微工具，原子力显微镜以其高分辨、制样简单、操作易行等特点而备受关注，并已在生命科学、材料科学等领域发挥了重大作用，极大地推动了纳米科技的发展，促使人类进入了纳米时代。
国际上有关ＡＦＭ的研究和应用的文章层出不穷，并已经取得了辉煌的成就；国内也有一些研究成果，但总体来说质量不高，这与我国低的ＡＦＭ普及率和使用率不无关系；另外，目前在国内还未发现完整介绍ＡＦＭ成像原理、基本构成、工作模式、操作性能及仪器功能发展的文章出现。
基于此，文章结合ＷＥＴ－ＳＰＭ－９５００Ｊ３型显微镜对ＡＦＭ做一次全面的介绍和探讨。
１ 原子力显微镜的成像原理ＡＦＭ是用一端固定而另一端装有纳米级针尖的弹性微悬臂来检测样品表面形貌的。
当样品在针尖下面扫描时，同距离密切相关的针尖－样品相互作用（见图３）就会引起微悬臂的形变。
也就是说，微悬臂的形变是对样品－针尖相互作用的直接反映［１］。
通过检测微悬臂产生的弹性形变量ΔＺ， 就可以根据微悬臂的弹性系数ｋ和函数式Ｆ＝ｋ・ΔＺ直接求出样品－针尖间相互作用Ｆ。
ＡＦＭ利用照射在悬臂尖端的激光束的反射接收来检测微悬臂的形变。
由于光杠杆作用原理，即使小于０．０１ｎｍ的微悬臂形变也可在光电检测器上产生１０ｎｍ左右的激光点位移，由此产生的电压变化对应着微悬臂的形变量，通过一定的函数变换便可得到悬臂形变量的测量值［２］。
当样品在ＸＹ平面内扫描时（对某一点其坐标为［ｘ，ｙ］），若保持样品在Ｚ轴方向静止，且令探针的竖直初始位置为零，则可根据针尖－样品相互作用与间距的关系（如图３曲线所示）得到样品表面的高度变化信息Δｈ（ｘ，ｙ），即样品表面任意点（ｘ，ｙ）相对于初始位点的高度。
对样品表面进行定域扫描便可得到此区域的表面形貌Ａ＝Ａ（ｘ，ｙ， Δｈ（ｘ，ｙ））。
２ 原子力显微镜的主要构件和性能ＡＦＭ主要由为反馈光路提供光源的激光系统（Ｌａｓｅｒ）、进行力－距离反馈的微悬臂系统（Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）、执行光栅扫描和Ｚ轴定位的压电扫描器（ｘ，ｙ，ｚ Ｐｉｅｚｏ－ｓｃａｎｎｅｒ）、接收光反馈信号的光电探测器（Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、反馈电子线路（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｉｒｃｌｅ）、粗原子力显微镜的基本原理及其方法学研究＊朱杰，孙润广（陕西师范大学物理学与信息技术学院 生物物理研究室 西安 ７１００６２）摘要 简述了原子力显微镜探测物体表面形貌的基本原理， 具体地介绍了原子力显微镜的四大核心构件的属性与功能 ：激光器、微悬臂、压电扫描器、光电检测器管；详细地阐述了该仪器探测运行的三种模式：接触模式、非接触模式、轻敲模式，并重点讲述了轻敲模式的独到之处；强调了原子力显微镜所能进行的参数分析和数据处理功能，同时将原子力显微镜同其它表面探测仪进行了比较，突出了ＡＦＭ的优越性；并结合仪器的构造和工作原理，对仪器的改进和发展提出了一些建设性意见。
关键词 原子力显微镜；微悬臂；压电扫描器；光电检测器；运行模式中图分类号：Ｑ６１ 文献标识码：Ａ＊基金项目：国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．２０２７２０３５）； 教育部科学技术研究重点项目（Ｎｏ．１０４１６７）作者简介： 朱杰（１９８０－ ）男，土家族，湖南张家界人，硕士，助研，陕西省物理学会会员，主要从事原子力显微镜的分子生物物理应用与理论生物物理研究。
２２略定位系统、防震防噪声系统、计算机控制系统与数据处理软件、样品探测环境控制系统（湿控、温控、气环境控制等）、监控激光－悬臂－样品相对位置的显微及ＣＣＤ摄像系统等构成（见图１）。
其中，前四大系统是该仪器的核心部件（见图２）［３］。
图１ 原子力显微镜的外貌图（ＷＥＴ－ＳＰＭ－９５００Ｊ３）图２ 原子力显微镜的核心组成部件示意图２．１ 激光器单元激光器是光反馈通路的信号源。
由于悬臂尖端的空间有限性，就对照射器上的光束宽度提出了一定要求：足够细、单色性好、发散程度弱；同时也要求光源的稳定性高，可持续运行时间久，工作寿命长。
而激光正是能够很好地满足上述条件的光源。
２．２ 微悬臂单元微悬臂是探测样品的直接工具，它的属性直接关系到仪器的精度和使用范围。
微悬臂必须有足够高的力反应能力，这就要求悬臂必须容易弯曲，也易于复位，具有合适的弹性系数，使得零点几个纳牛（ｎＮ）甚至更小的力的变化都可以被探测到；同时也要求悬臂有足够高的时间分辨能力，因而要求悬臂的共振频率应该足够高，可以追随表面高低起伏的变化。
根据上述两个要求，微悬臂的尺寸必须在微米的范围，而位于微悬臂末端的探针则在１０ｎｍ左右［４］，而其上针尖的曲率半径约为３０ｎｍ，悬臂的固有频率则必须高于１０ｋＨｚ。
通常使用的微悬臂材料是Ｓｉ３Ｎ４。
其弹性系数ｋ＝３ＥＩ／Ｌ３＝９．５７ｍｆ２，其中Ｅ，Ｉ分别为杨氏模量、转动惯量，Ｌ，ｍ，ｆ分别是微悬臂的长度、质量和共振频率。
微悬臂的劲度常数一般为４×１０－３－２．０Ｎ／ｍ。
２．３ 压电扫描单元要探测样品表面的精细结构，除了高性能的微悬臂以外，压电扫描器（压电换能器）的精确扫描和灵敏反应也是同样重要的。
压电换能器是能将机械作用和电讯号互相转换的物理器件。
它不仅能够使样品在ＸＹ扫描平面内精确地移动，也能灵敏地感受样品与探针间的作用，同时亦能将反馈光路的电讯号转换成机械位移，进而灵敏地控制样品和探针间的距离（力），并记录因扫描位置的改变而引起的Ｚ向伸缩量Δｈ（ｘ，ｙ）。
这样，压电扫描器就对样品实现了表面扫描［１，３］。
常见扫描器的最小分辨率为０．１ｎｍ×０．１ｎｍ×０．０１ｎｍ。
２．４ 光电检测与反馈单元目前ＡＦＭ探测悬臂微形变的主要方法是光束偏转法：用一束激光照在微悬臂的尖端，而用位置灵敏光检测器（ＰＳＰＤ）来接收悬臂尖端的反射激光束，并输出反映反射光位置的信号［３］。
由于悬臂的形变会引起反射光束的偏移，导致反射光在ＰＳＰＤ上位置的变化，进而产生反应悬臂的形变的电讯号，以供调节压电扫描器的伸缩控制。
作为ＡＦＭ的核心部件，它们是不可或缺的，要得到满意的试验图像，总是要求各个部件的工作状态都达到最佳。
因此，ＡＦＭ中最关键的技术就是高性能激光器的设计、对微弱力作用极其敏感的微悬臂的设计、为获得高分辨率的非常尖细针尖的制备、精确扫描定位的压电换能器和光电检测技术的研究。
３ 原子力显微镜的成像模式及特点经上文介绍可知，探针和样品间的力－距离关系是本仪器测量的关键点。
当选择不同的初始工作距离时，探针所处的初始状态也是不同的。
由此可将原子力显微镜的操作模式分为三大类型：接触模式（Ｃｏｎｔａｃｔ Ｍｏｄｅ）、非接触模式（Ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ Ｍｏｄｅ）和轻敲模式（Ｔａｐｐｉｎｇ Ｍｏｄｅ）。
图３给出了ＡＦＭ不同操作模式在针尖和样品相互作用力曲线中的工作区间和力属性［５］。
２３图３ 原子力显微镜的工作模式在力－距离曲线上的分布３．１ 接触模式（Ｃｏｎｔａｃｔ Ｍｏｄｅ）样品扫描时，针尖始终同样品“接触”。
此模式通常产生稳定、高分辨图像。
针尖－样品距离在小于零点几个纳米的斥力区域，对应图３中的１－２段。
当样品沿着ｘｙ方向扫描时，由于表面的高低起伏使得针尖－样品距离发生变化，引起它们之间作用力的变化，从而使悬臂形变发生改变［３］。
当激光束照射到微悬臂的背面，再反射到位置灵敏的光电检测器时，检测器不同象限会接收到同悬臂形变量成一定的比例关系的激光强度差值。
反馈回路根据检测器的信号与预置值的差值，不断调整针尖－样品距离，并且保持针尖－样品作用力不变，就可以得到表面形貌像。
这种测量模式称为恒力模式［１，３］。
当已知样品表面非常平滑时，可以让针尖－样品距离保持恒定，这时针尖－样品作用力大小直接反映了表面的高低，这种方法称恒高模式［１，３］。
由于生物分子的弹性模量较低，同基底间的吸附接触也很弱，针尖－样品间的压缩力和摩擦力容易使样品发生变形，从而降低图像质量。
３．２ 非接触模（Ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ Ｍｏｄｅ）针尖在样品表面的上方振动，始终不与样品表面接触。
针尖检测的是范德瓦耳斯吸引力和静电力等长程力，对样品没有破坏作用。
针尖－样品距离在几到几十纳米的吸引力区域，对应图３中的３－４段，针尖－样品作用力比接触式小几个数量级，但其力梯度为正且随针尖－样品距离减小而增大。
当以共振频率驱动的微悬臂接近样品表面时，由于受到递增的力梯度作用，使得微悬臂的有效的共振频率减小，因此在给定共振频率处，微悬臂的振幅将减小很多［３］。
振幅的变化量对应于力梯度量，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时保持不变，就可以得到样品的表面形貌像。
但由于针尖－样品距离较大，因此分辨率比接触式的低。
到目前为止，非接触模式通常不适合在液体中成像，在生物样品的研究中也不常见［６］。
３．３ 轻敲模式（Ｔａｐｐｉｎｇ Ｍｏｄｅ）轻敲模式是上述两种模式之间的扫描方式。
扫描时，在共振频率附近以更大的振幅（＞２０ｎｍ）驱动微悬臂，使得针尖与样品间断地接触［７］。
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，振幅将减小；而当针尖反向远离时， 振幅又恢复到原值。
反馈系统通过检测该振幅来不断调整针尖－样品距离进而控制微悬臂的振幅，使得作用在样品上的力保持恒定［３］。
由于针尖同样品接触，分辨率几乎与接触模式一样好；又因为接触非常短暂，剪切力引起的样品破坏几乎完全消失。
轻敲模式适合于分析柔软、粘性和脆性的样品，并适合在液体中成像 ［８，１６］。
４ 原子力显微镜的功能４．１ 表面形貌的表征通过检测探针－样品作用力可表征样品表面的三维形貌，这是ＡＦＭ最基本的功能［１］。
由于表面的高低起伏状态能够准确地以数值的形式获取，对表面整体图像进行分析可得到样品表面的粗糙度（Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）、颗粒度（Ｇｒａｎｕｌａｒｉｔｙ）、平均梯度（ＳｔｅｐＨｅｉｇｈｔ）、孔结构和孔径分布等参数［３，９］ ；对小范围表面图像分析还可得到表面物质的晶形结构、聚集状态、分子的结构、面积和表面积及体积等；通过一定的软件也可对样品的形貌进行丰富的三维模拟显示如等高线显示法、亮度－高度对应法等，亦可转换不同的视角，让图像更适于人的直观视觉［３］。
４．２ 表面物化属性的表征ＡＦＭ的一种重要的测量方法是力－距离曲线，它包含了丰富的针尖－样品作用信息。