原子力显微镜原理及操作流程讲义
物理实验技术中的原子力显微镜的使用方法
物理实验技术中的原子力显微镜的使用方法引言：原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种先进的纳米技术仪器，能够以原子尺度进行表面形貌的观测和测量。
它具有高分辨率、高灵敏度和非接触式测量等优点，被广泛应用于材料科学、生物学和纳米技术等领域。
本文将介绍原子力显微镜的基本原理和使用方法。
一、原子力显微镜的基本原理原子力显微镜基于扫描探针显微技术，通过探针与样品表面之间的相互作用来获取样品表面的形貌信息。
主要的相互作用力有引力力、静电力和范德华力等，其中范德华力是原子力显微镜测量的主要力。
它利用悬臂弹簧原理，通过在探针尖端附近放置一个纳米尖端，测量尖端与样品之间的相互作用力来重建样品表面的形貌。
二、原子力显微镜的使用方法1. 准备工作在进行原子力显微镜实验之前，需要对仪器进行准备工作。
首先，校准仪器的灵敏度和垂直位置，确保能够获得精确的表面形貌信息。
其次，清洁样品台和探针以保证实验的准确性和重复性。
2. 样品准备选择合适的样品进行原子力显微镜测量之前，需要对样品进行预处理。
一般情况下，样品表面应该光滑、干净且没有明显的缺陷或杂质。
如果样品存在污垢或杂质，应进行适当的清洁和处理。
3. 探针安装将合适的探针安装在仪器的扫描头上。
选择合适的探针类型和尺寸，常见的有硅探针、硅基探针和碳纳米管探针等。
确保探针固定稳定，并与样品相对应。
4. 实验参数设置在进行原子力显微镜实验之前，需要根据样品的特性和需求设置合适的实验参数。
包括扫描模式、扫描速度、扫描范围等。
根据需要，可以选择静态模式、动态模式或者谐振模式等不同的扫描模式。
5. 开始扫描设置好实验参数后，可以开始进行原子力显微镜扫描。
将样品放置在样品台上，通过调整仪器的位置和焦距，使得探针与样品表面保持一定的距离。
启动仪器并开始扫描，通过监测探针的偏转来获取样品表面的形貌信息。
6. 数据分析和图像处理完成扫描后，获得的数据需要进行分析和处理。
原子力显微镜原理及使用方法
原子力显微镜原理及使用方法原子力显微镜（AFM）原理及使用方法1. 原理原子力显微镜（AFM）是将原子尺度的直接观测和测量的一种仪器，它利用了硅尖（或其它类型的纳米尖）与待测样品之间的亲和特性，使硅尖能够遵循样品的凹凸而被放大表示出来，从而可以实现对样品的尺寸、形状以及表面特性的定性和定量研究。
2. 上样工艺AFM的上样工艺要看具体的实验仪器，以水平原子力显微镜为例，这个设备通常将样品安装在试样台上，然后将一个小尺寸的硅尖放置在样品表面之上。
其技术主要是利用坐标轴控制机械部件，使尖头按照三个欧拉角X Y Z移动在Z轴垂直方向上作位移，满足特定条件后，就可完成样品的上样工艺。
3. 硅缕使用硅缕是AFM中最关键的部分，它的使用可分为两种主要的方法：一种是硅缕的精细调节，另一种是电驱动式调节。
细调节的方法利用激光器来产生激光束，然后使用尖端探测器测量激光束对硅缕对应表面起到的放大作用，使尖端保持正确的联系距离。
而电驱动式法是通过加电应力电偶来拉紧硅缕，当电偶施加的压力稳定的时候，硅尖就能够保持固定的电位，并能够实现测量样品的表面特性。
4. 测量原理样品表面的起伏改变了硅缕和样品表面的联系距离，而这种距离的变化会导致硅缕改变其表面电位，在原子力显微镜中，该变化会被检测，这种变化就称为外界力（本征力），通过分析这个力来检测样品表面的形状特征，确定表面结构的大小和精确度。
5. 测量方法AFM在测量中采用一种叫做“传输非线性格式测量”的方法，它利用微小压缩和张开作用来测量样品表面的曲率。
其中，收缩作用是对样品表面施加重力，使硅缕扭曲，这相当于一种“压力”；张开作用是将收缩表面的压力稳定，使尖端基本保持在样品表面的收缩位置，然后可以读取垂直收缩压力产生的力，可以读取出样品表面的凹凸尺寸特征。
6. 数据分析在AFM的数据分析中主要有两种方法：一种是直接分析原始图像；另一种行横向投影法。
在直接分析图像法中，首先使用原子力显微镜将表面图像存盘，然后再使用数据分析算法进行处理和分析，最后获得相应的表面特征信息，从而得到有关样品的准确信息。
原子力显微镜技术的使用方法概述
原子力显微镜技术的使用方法概述原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是一种重要的纳米测量技术，它通过感应式测量原理，能够对样品表面的形貌和力学性质进行非接触式的高分辨率测量。
本文将概述原子力显微镜技术的使用方法。
一、概述原子力显微镜技术原子力显微镜技术是1986年由盖宝集团的格尔班教授和夏佐夫教授等人开发成功的。
它基于原子到纳米尺度的力学相互作用，通过探针与样品之间的相互作用力，以非接触式测量的方式获取样品表面的形貌和力学性质。
相对于传统的光学显微镜和电子显微镜，原子力显微镜在分辨率和测量范围上都具有明显优势。
二、原子力显微镜的工作原理原子力显微镜主要由扫描探针、三维扫描装置和检测系统等部分组成。
它通过探针与样品之间的相互作用力来探究样品表面的细节。
当探针在样品表面扫描时，探针与样品表面的相互作用力会产生微小的弯曲变形。
利用悬臂悬浮的原理，通过悬臂上的激光束来检测探针的弯曲变形，并将这些变化转化为图像和数据。
三、原子力显微镜的使用方法1. 样品准备：在使用原子力显微镜之前，需要对样品进行适当的准备。
首先，清洁样品表面，移除附着在表面上的杂质和污染物。
其次，使样品变得光滑平整，以便更好地观察其表面形貌。
2. 系统调试：在开始实验之前，对原子力显微镜系统进行调试是必要的。
首先，调整探针的接触力，使其在与样品表面接触时不会对样品表面造成损伤。
其次，进行悬臂的校准，以确保探针位置的准确度和稳定性。
3. 参数设置：在进行原子力显微镜实验时，需要设置合适的参数。
这包括扫描速度、扫描范围和像素分辨率等。
根据需要观察的特定表面特征，调整这些参数以获得清晰的图像。
4. 实验操作：将样品放置在原子力显微镜的扫描台上，并根据需要选择适当的观察模式，如接触模式、非接触模式、磁力模式等。
控制系统开始进行扫描，并记录相应的数据。
5. 数据分析：通过原子力显微镜获得的数据可以进行各种分析和处理。
原子力显微镜法
原子力显微镜法原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，简称AFM）是一种高分辨率的表面形貌和力学特性测量技术。
它通过在探针和样品表面之间施加微小的力量，利用谐振频率变化的检测原理获得样品表面的拓扑信息，从而实现纳米尺度的观测和测量。
本文将介绍 AFM 的基本原理、操作流程及其在纳米科学与纳米技术领域的应用。
一、基本原理原子力显微镜是基于探针与样品表面之间相互作用力的测量原理工作的。
探针端通过弹性变形受到样品表面的力作用，且力与距离成反比。
AFM以原子尺度的分辨率测量表面形貌，使用悬臂梁弹簧探针，通过测量力传感器的弯曲程度得到样品表面的高低起伏。
由于探针尖端可以被加工成非常尖锐的形状，所以可以实现纳米级别的表面成像。
二、操作流程1. 样品准备：将待测样品表面进行清洗和处理，确保表面干净平整。
2. 探针安装：选择合适的探针并安装在原子力显微镜仪器上。
3. 探针校准：使用标定样品或试样进行探针的校准调整，以确保测量结果的准确性。
4. 调整参数：根据样品的特性和需要测量的参数，进行原子力显微镜的工作参数设置。
5. 表面成像：将样品放置在仪器台面上，通过控制探针的移动和扫描模式，实现对样品表面的成像。
6. 数据分析：对得到的图像进行处理和分析，提取所需的拓扑和力学信息。
三、应用领域原子力显微镜法在纳米科学与纳米技术领域有着广泛的应用。
1. 表面形貌分析：原子力显微镜可以实现对材料表面的纳米级别形貌观测，如纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜等的形貌表征。
2. 纳米力学性质研究：通过在原子力显微镜中加入力曲线扫描模式，可以测量材料的力学性质，如硬度、弹性模量等。
3. 表面化学成分分析：结合原子力显微镜与其他表征手段，如扫描电子显微镜、能谱分析等，可以实现对样品表面化学成分的分析。
4. 生物医学应用：原子力显微镜可实现对生物分子及细胞的高分辨率成像和测量，对生物医学研究具有重要意义。
5. 纳米加工与纳米制造：利用原子力显微镜的扫描控制功能，可以进行纳米级别的构筑、雕刻和操控，用于纳米加工技术和纳米器件制造。
原子力显微镜操作详细流程
原子力显微镜操作简要说明一、设备开机1、打开原子力显微镜主机电源（在光学平台下方）。
2、开启电脑、运行软件（软件10，如有问题可换9重新运行）。
3、在软件界面点击 SPM init 进行设备初始化，如显示SPM OK可继续操作，如不显示SPM OK重启软件。
4、点open door开操作门，点灯泡按钮照亮。
二、样品准备1、将表面洁净样品使用专用双面胶粘贴至设备配备的圆形载物片上（最好两个台子一起使用，以便旋转样品）。
2、通过检测组件上的按钮或者软件点open door开启样品室舱门，点灯泡按钮照亮，点击软件界面上的AFM-STM退针钮使显微镜探头缩回。
3、使用专用镊子将样品连同载物片放入磁性样品台上，小心调整样品区域之中间。
小心不要碰触探头、激光源等。
4、点击软件界面的AFM-STM使探头移回。
关闭舱门。
三、操作程序1、运行软件的camera功能，点击绿色的play键。
运行approach，点击蓝色step move，将样品降低到安全距离。
2、运行软件的aiming功能，点击tools-motors-video calibration-右下角specify laser step 1-Alt+左键-确定-手动Alt+左键点击红十字中心，使激光与十字匹配。
3、运行AFM钮，使针头伸出。
点击Shift+左键点击针悬臂梁的中间或偏上三分之一处，点击move laser使激光移动到点击位置，然后用Laser X和Y将Laser 调到最大，点击Aiming，使DFL、LF为0。
4、运行软件的Resonance功能，选择semicontact模式，在probes里选择对应针尖，点击Auto，调节探针悬臂的共振频率。
如产生共振，调节Gain和lockgain 的大小（保证其乘积大小不变），确定setpoint为典型值Mag的一半，Gain0.5-1之间。
5、运行landing，观察way值变化。
6、运行软件的Approach功能，自动完成下针。
原子力显微镜实验中的操作技巧与成像分析
原子力显微镜实验中的操作技巧与成像分析原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种先进的显微镜技术，在纳米科学研究和表面分析领域具有重要的应用价值。
本文将介绍原子力显微镜实验中的操作技巧与成像分析，希望能为研究人员提供一些参考和指导。
一、原子力显微镜的基本原理原子力显微镜是通过探测样品表面的微小力变化来获取高分辨率的表面形貌信息的。
它的主要构成部分包括扫描探头和力传感器。
扫描探头通常采用微弹簧悬臂，悬臂尖端有一个纳米尺寸的金属探针。
通过扫描头的运动，探针可以在样品表面进行扫描，并感知表面的力变化。
力传感器是用来检测扫描探头与样品之间的相互作用力的。
常见的力传感器包括光电二极管、激光干涉仪等。
二、原子力显微镜的操作技巧1. 样品的准备与固定在进行原子力显微镜实验之前，首先需要准备好样品，并将其固定在试样台上。
对于固态材料，可以使用双面胶等方式将样品固定在试样台上。
对于液态样品，宜选择适当的液环来固定样品。
2. 扫描参数的设定扫描参数的设定对于获取高质量的成像结果至关重要。
主要的参数包括扫描大小、扫描速度、扫描力等。
合理设定这些参数可以提高成像的分辨率和稳定性。
3. 扫描模式的选择原子力显微镜有多种扫描模式，常见的有接触力显微镜模式、非接触力显微镜模式等。
合理选择扫描模式能够更好地适应不同的样品和实验要求。
4. 标定和校准在进行实验之前，需要对原子力显微镜进行标定和校准。
这能够保证实验结果的准确性和可重复性。
三、原子力显微镜成像分析1. 表面形貌分析原子力显微镜可以通过直接扫描样品表面来获取其高分辨率的形貌信息。
通过分析得到的图像，可以揭示材料表面的微观结构、凹凸和纳米尺寸的特征等。
2. 力-距离曲线原子力显微镜还可以通过记录扫描探头与样品之间的力-距离曲线来分析样品的物理和力学性质。
例如，可以通过测量弹簧悬臂的弹性变形来计算样品的杨氏模量和力-距离曲线的斜率。
3. 分子间相互作用力的研究原子力显微镜还可以用于研究分子间的相互作用力，如范德华力、静电力等。
物理实验技术中原子力显微镜的使用方法详解
物理实验技术中原子力显微镜的使用方法详解原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）是一种基于原子力作用的高分辨率表面成像和测量仪器。
它可以实现对物质表面的高分辨率成像，并且能够进行纳米级的力学性质测量。
本文将详细介绍原子力显微镜的使用方法。
一、原子力显微镜的基本原理和组成原子力显微镜的工作原理是利用一根非常细的探针在样品表面扫描，并测量样品表面与探针之间的力的变化。
通过扫描获得的力的数据可以生成样品表面的三维图像。
原子力显微镜主要由扫描单元、探针、控制系统和数据处理系统四个部分组成。
二、原子力显微镜的操作步骤1. 样品准备：首先需要将待测样品制备成均匀平整的表面。
这通常需要使用微纳米加工技术，如化学气相沉积、溅射沉积或离子束抛光等。
2. 探针安装：将探针固定到扫描单元中。
探针的选择非常重要，需要根据所需实验的具体要求来选择合适的探针。
一般情况下，探针的弹性常数需要在200 N/m到400 N/m之间。
3. 调试参数：在进行实际扫描前，需要根据样品的性质和测量目的来调节扫描参数。
例如，扫描速度、扫描范围、力的设置等。
4. 开始扫描：开启原子力显微镜，将探针移动到样品表面上，并开始扫描。
实际扫描过程中，需要保持探针与样品之间的力稳定，通常采用反馈控制技术来实现。
5. 数据处理：完成扫描后，可以将获得的原子力显微镜数据进行处理和分析。
常见的数据处理方法包括三维重构、高度廓线提取、力谱分析等。
三、原子力显微镜的应用领域原子力显微镜广泛应用于材料科学、生物科学和纳米科学等领域。
在材料科学中，原子力显微镜可以用于研究材料的表面形貌、纳米结构和纳米力学性质。
在生物科学中，原子力显微镜可以用于观察和研究生物大分子的形貌和相互作用力。
在纳米科学中，原子力显微镜可以用于制备和研究纳米器件和纳米材料。
四、原子力显微镜的发展趋势随着技术的不断发展和进步，原子力显微镜的分辨率和功能得到了明显提高。
原子力显微镜(AFM)原理及应用讲解
10 AFM的其他应用
利用AFM可以对样品进行表面原子搬运，原子蚀刻，从而制造纳米器件。
3 AFM工作原理
原理：
AFM是在STM的基础上发展起来的。 所不同的是，它不是利用电子隧道效应，而 是利用原子之间的范德华力（Van Der Waals Force）作用来呈现样品的表面特性。
假设两个原子一个是在悬臂的探针尖
端，另一个是在样本的表面，它们之间的作 用力会随距离的改变而变化，其作用力与距 离的关系如右图所示，当原子与原子很接近 时，彼此电子云斥力的作用大于原子核与电 子云之间的吸引力作用，所以整个合力表现 为斥力的作用，反之若两原子分开有一定距 离时，其电子云斥力的作用小于彼此原子核 与电子云之间的吸引力作用，故整个合力表 现为引力的作用。
1985年，IBM公司的Binning 和Stanford大学的Quate研发 出了原子力显微镜（AFM）， 弥补了STM的不足，可以用 来测量任何样品（无论导电 性与否）的表面。
2 AFM的结构简图
AFM针尖 AFM利用一个对微弱力极敏感的、在其一端带有一微小针尖的微悬臂，来代替STM 隧道针尖，通过探测针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的（右上图）。
• 位置检测部分：
在AFM的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之 后，会使得悬臂摆动，所以当激光照射在悬臂的末端 时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变， 这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光 斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以 供SPM控制器作信号处理。
• 反馈系统：
• 试样的厚度，包括试样台的厚度，最大为10 mm。如果试样过重， 有时会影响Scanner的动作，请不要放过重的试样。试样的大小以不 大于试样台的大小（直径20 mm）为大致的标准。稍微大一点也没问 题。但是，最大值约为40 mm。如果未固定好就进行测量可能产生移 位。请固定好后再测定。
表面物理实验技术中的原子力显微镜操作指南
表面物理实验技术中的原子力显微镜操作指南在表面物理研究中，原子力显微镜（atomic force microscope, AFM）是一种常用的实验工具。
它通过探针扫描样品表面，对样品进行高分辨率的观测和表征。
本文将介绍原子力显微镜的基本原理和操作指南。
一、原理介绍原子力显微镜基于力的测量原理，利用纳米级机械弹簧探针与样品表面的相互作用，实现对样品表面形貌和物理性质的测量。
其中，常用的探针有针状和平庸两种，针状探针适用于高分辨率的表面形貌观测，平庸探针则适用于力谱分析和磁感率的测定。
二、实验准备1.清洁样品：使用超声波浴清洗样品，去除附着在表面的杂质。
避免使用有机溶剂和强酸碱清洗，以免损坏样品表面或改变其性质。
2.标定探针：通过标准方法标定探针的力常数，以保证测量结果的准确性。
3.调整操作环境：保持实验室环境的稳定，避免空气流动和振动对测量结果的影响。
三、操作步骤1.安装样品和探针：将样品固定在样品台上，并安装探针。
注意调整探针的位置和角度，确保其能与样品表面正常接触。
2.设置扫描参数：使用软件设定扫描参数，如扫描速度、扫描区域和采样点密度等。
根据实验需求，选择合适的参数进行扫描。
3.调节探针与样品的力：使用Z轴调节探针与样品之间的接触力，一般设置在几十纳牛顿到几百纳牛顿之间。
4.开始扫描：点击软件上的“扫描”按钮，开始对样品进行扫描。
观察扫描过程中的图像，确保探针与样品保持良好的接触，并调整扫描参数以获得清晰的表面形貌图像。
5.数据分析：对获得的扫描图像进行数据分析，提取出表面的高度和形貌信息。
根据实验需求，可以进行三维重建、线性剖面和表面纹理等多种分析方法。
6.实验记录和分析结果：将实验过程中的扫描图像和数据记录下来，并进行结果分析和对比。
根据实验目的，可以对样品的表面形貌、力学性质和电气性质等进行深入研究。
四、常见问题及解决方法1.探针损坏：探针的尖端很容易受到样品表面的损伤，因此在操作过程中要注意避免探针与样品的剧烈碰撞。
物理实验技术中的原子力显微镜操作方法与技巧
物理实验技术中的原子力显微镜操作方法与技巧原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种重要的物理实验仪器，广泛应用于物理、化学、材料科学等领域。
它具有高分辨率、高灵敏度和高精度等特点，可以观察到物质的微观结构和性质。
本文将介绍原子力显微镜的操作方法与技巧，以帮助读者更好地运用这一仪器进行实验研究。
1. 原子力显微镜的基本原理原子力显微镜利用扫描探针与样品之间的相互作用力来获取样品表面的拓扑结构和力学性质。
其基本原理是通过探针在样品表面上的扫描，测量表面与探针之间的相互作用力，然后根据这些数据生成图像。
在实验中，我们需要掌握以下几个关键的操作方法与技巧。
2. 样品的准备与安装在进行原子力显微镜实验之前，首先需要准备样品并将其安装在样品台上。
样品应该是干燥和干净的，以避免在观察过程中产生杂散信号。
此外，样品的尺寸也需要适合于原子力显微镜的扫描范围。
在安装样品时，要确保样品与扫描探针之间的距离合适，并且样品台的水平度要调整好，以保证扫描结果的准确性。
3. 扫描参数的设置在进行原子力显微镜实验之前，需要设置扫描参数以获得理想的扫描结果。
扫描参数包括扫描速度、扫描范围、力曲线采集速率等。
对于不同类型的样品，需要根据其表面特性和所需观察的结构选择合适的扫描参数。
一般来说，高分辨率的扫描要求较低的扫描速度和较小的扫描范围，而粗略观察则可以采用较高的扫描速度和较大的扫描范围。
4. 扫描模式的选择原子力显微镜有多种不同的扫描模式，包括常规扫描模式、大范围扫描模式、力谱扫描模式等。
常规扫描模式适用于常规的表面形貌观察，大范围扫描模式则适用于大范围的表面形貌测量，力谱扫描模式则适用于材料力学性质的研究。
选择合适的扫描模式可以提高实验效率和结果的准确性。
5. 数据的处理与分析实验得到的原子力显微镜图像是一组数据，需要进行进一步的处理与分析。
常见的处理与分析方法包括平滑处理、滤波处理、尖峰识别等。
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5.2 非接触模(Non-contact Mode)
非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方 5～10 nm 的距离处振荡。样品与针尖之间的相互作用由范德
华力控制，通常为 10N12，样品不会被破坏，而且针尖也不
会被污染，适合于研究柔嫩物体的表面。此模式的不利之处 是要在室温大气环境下完成。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。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。
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，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=3 =9.57EI L3，其中Em,fI分2 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× --2.01N0/3 ｍ。
[Scanning Condition ]子窗口； C.点击[Oscilloscope]前的对勾出现[Left
Oscilloscope]波动图像窗口并拖动其至右下方； D.点击[SPM Online]窗口中[Setting]- [Y Scan
Start]- [Top]设置扫描探针自上而下扫描，点击[Panel Display]出现[Signal Display Panel]窗口，将垂直 [Vertical Deflection]用垂直齿轮调至-2，将水平 [Horizontal Deflection]用水平齿轮调至0，反复调节至少 3次后，关闭窗口。
其中，前四大系统是该仪器的核心部件。
4.1 激光系统
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。
4.2 微悬臂系统
3、轻敲模式（Tapping Mode）： 优点：很好的消除了横向力的影响。降
低了由吸附液层引起的力，图像分辨率高， 适于观测软、易碎、或胶粘性样品，不会损 伤其表面。
缺点：比Contact Mode AFM 的扫描速度 慢。
6.AFM的功能
6.1 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。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；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。
原子力显微镜
岛津SPM--95 3.AFM的基本原理 4.AFM主要构件及功能 5.AFM成像模式及特点 6.AFM的功能
7.对样品的要求 8.AFM操作流程 9.注意事项 10.AFM应用领域 11.AFM在生命科学中的 应用 12.AFM应用前景
1.研究背景
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)更为突出地显现了显微观测技术对人 类的重要性， 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。并以高分辨、 制样简单、操作易行等特点在生命科学、材料科学等领域发 挥了重大作用，推动了纳米科技的发展，促使人类进入了纳 米时代。
6.2 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。在探针接近甚至压入样品表面 又随后离开的过程中，测量并记录探针所受到的力，就得到 针尖和样品间的力-距离曲线。通过分析针尖-样品作用力， 就能够了解样品表面区域的各种性质如压弹性、粘弹性、硬 度等物理属性；若样品表面是有机物或生物分子，还可通过 探针与分子的结合拉伸了解物质分子的拉伸弹性、聚集状态 或空间构象等物理化学属性；若用蛋白受体或其它生物大分 子对探针进行修饰(functionization)，探针则会具有特定 的分子识别功能，从而了解样品表面分子的种类与分布等生 物学特性。
4.3 压电扫描系统
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，就 实现了对样品的表面扫描。 常见扫描器的最小分辨率0.1nm×0.1nm×0.01nm。
4.4 光电检测与反馈系统
目前AFM探测悬臂微形变的主要方法：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。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。
8.AFM操作流程
（1）启动仪器：
接通电源，先打开控制器，再打开AFM主机；
开启计算机并双击SPM--9500打开软件（待主机的
READY键变亮稳定后）；
预热20—30分钟；
（2）放样品：
待信号为5个以上时，将待测样品用镊子轻轻
放入样品台；
（3）软件设置： A.打开软件后出现[SPM Manager]窗口； B.单击窗口中的online按钮出现[SPM Online]窗口及
接触模式是AFM最直接的成像模式。样品扫描 时，针尖始终同样品“接触”，而相互作用力是排 斥力。扫描时，悬臂施加在针尖上的力有可能破坏
试样的表面结构，因此力的大小范围在1010～106
N。若样品表面柔嫩而不能承受这样的力，便不宜选 用接触模式对样品表面进行成像。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。
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。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))。
7.对样品的要求
(1）研究对象：有机固体、聚合物以及生物大分子等； （2）样品的载体：云母片、玻璃片、石墨、抛光硅片、二 氧化硅和某些生物膜等。最常用的是新剥离的云母片，因为 其非常平整且容易处理；抛光硅片最好用浓硫酸与30%双氧 水的7∶3 混合液在90 ℃下煮1h；利用电性能测试时需要导 电性能良好的载体，如石墨或镀有金属的基片。 （3）样品的厚度：最大为10 mm。 （4）样品的大小及重量：试样的大小以不大于试样台的大 小（直径20 mm）为标准，最大值约为40 mm。样品不宜过重， 如果过重，有时会影响Scanner的动作。
5.3 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。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。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 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 。
2、非接触模式（Non-Contact Mode）： 优点：没有力作用于样品表面。 缺点：由于针尖与样品分离，横向分辨率低；为
了避免接触吸附层而导致针尖胶粘，其扫描速度低 于Tapping Mode和Contact Mode AFM。通常仅用于 非常怕水的样品，吸附液层必须薄，如果太厚，针 尖会陷入液层，引起反馈不稳，刮擦样品。由于上 述缺点，on-contact Mode的使用受到限制。
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(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。
原子力显微镜SPM-9500
3.AFM的基本原理
当样品在针尖下面扫描时， 同距离密切相关的针尖-样品 相互作用会引起微悬臂的形变， 微悬臂的形变是对样品-针尖 相互作用的直接反映。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。再 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。
2.AFM简介
原子力显微镜（Atomic Force Microscope ， AFM），是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体 材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表 面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相 互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微 弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针 尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使 得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品 时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分 布信息，从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。