现代材料分析方法-原子力显微镜共38页
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扫描探针显微技术之二——原子力显微镜(AFM)技术ppt课件
Atomic force microscopy (AFM)
Lateral Force Microscopy (LFM)
Magnetic Force Microscopy (MFM)
Electrostatic Force Microscopy (EFM)
Chemical Force Microscopy (C学检测部分 反馈电子系统 计算机控制系统
10
工作模式
接触模式 (contact mode) 非接触模式 (non-contact mode) 轻敲模式 (tapping / intermittent contact mode)
van der Waals force curve
Near Field Scanning Optical Microscopy
(NSOM)
3
基本原理
1986，IBM，葛·宾尼（G. Binnig）发明了原子力 显微镜(Atomic Force Microscope ,AFM)——新一代 表面观测仪器．
原理：利用原子之间的范德华力（Van Der Waals
52
原子力显微镜 Atomic Force Microscopy
1
主要内容
发展历史 基本原理 应用
2
扫描探针显微镜SPM
SPM是指在STM基础上发展起来的一大类显微镜， 通过探测极小探针与表面之间的物理作用量如光、 电、磁、力等的大小而获得表面信息。
scanning tunneling Microscopy (STM， 1982)
11
工作模式-接触模式
d ＜０.０３nm
van der Waals force curve
针尖始终向样品接触并简单地在表面上移动，针 尖—样品间的相互作用力是互相接触原于的电子间 存在的库仑排斥力，其大小通常为10－8 —10－11N。
Lateral Force Microscopy (LFM)
Magnetic Force Microscopy (MFM)
Electrostatic Force Microscopy (EFM)
Chemical Force Microscopy (C学检测部分 反馈电子系统 计算机控制系统
10
工作模式
接触模式 (contact mode) 非接触模式 (non-contact mode) 轻敲模式 (tapping / intermittent contact mode)
van der Waals force curve
Near Field Scanning Optical Microscopy
(NSOM)
3
基本原理
1986，IBM，葛·宾尼（G. Binnig）发明了原子力 显微镜(Atomic Force Microscope ,AFM)——新一代 表面观测仪器．
原理：利用原子之间的范德华力（Van Der Waals
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原子力显微镜 Atomic Force Microscopy
1
主要内容
发展历史 基本原理 应用
2
扫描探针显微镜SPM
SPM是指在STM基础上发展起来的一大类显微镜， 通过探测极小探针与表面之间的物理作用量如光、 电、磁、力等的大小而获得表面信息。
scanning tunneling Microscopy (STM， 1982)
11
工作模式-接触模式
d ＜０.０３nm
van der Waals force curve
针尖始终向样品接触并简单地在表面上移动，针 尖—样品间的相互作用力是互相接触原于的电子间 存在的库仑排斥力，其大小通常为10－8 —10－11N。
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
右图是激光位置检测器的示意图。聚焦到微悬臂上面的激光反射到激 光位置检测器，通过对落在检测器四个象限的光强进行计算，可以得 到由于表面形貌引起的微悬臂形变量大小，从而得到样品表面的不同 信息。
1.3 反馈系统
在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信 号经由激光检测器取入之后，在反馈系统 中会将此信号当作反馈信号，作为内部的 调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作 的扫描器做适当的移动，以保持样品与针 尖保持一定的作用力。
3.轻敲模式
用一个小压电陶瓷元件驱动微悬臂 振动，其振动频率恰好高于探针的 最低机械共振频率（～50kHz）。 由于探针的振动频率接近其共振频 率，因此它能对驱动信号起放大作 用。当把这种受迫振动的探针调节 到样品表面时（通常2～20nm）， 探针与样品表面之间会产生微弱的 吸引力。这种吸引力会使探针的共 振频率降低，驱动频率和共振频率 的差距增大，探针尖端的振幅减少。 这种振幅的变化可以用激光检测法 探测出来，据此可推出样品表面的 起伏变化。
AFM 操作模式
一． 接触式 (contact mode) 二． 非接触式 (non-contact mode)（亦即 VDW 模式） 三． 轻敲式 (tapping mode or intermittent contact mode) 四． 相移模式
1.接触模式
将一个对微弱力极敏感的微悬臂的一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖 与样品表面轻轻接触。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（10-8～10-6N），由于样品表面起伏不平而使探针带动微悬臂弯曲 变化，而微悬臂的弯曲又使得光路发生变化，使得反射到激光位置检测器上 的激光光点上下移动，检测器将光点位移信号转换成电信号并经过放大处理， 由表面形貌引起的微悬臂形变量大小是通过计算激光束在检测器四个象限中 的强度差值（A+B）-（C+D）得到的。将这个代表微悬臂弯曲的形变信号 反馈至电子控制器驱动的压电扫描器，调节垂直方向的电压，使扫描器在垂 直方向上伸长或缩短，从而调整针尖与样品之间的距离，使微悬臂弯曲的形 变量在水平方向扫描过程中维持一定，也就是使探针－样品间的作用力保持 一定。在此反馈机制下，记录在垂直方向上扫描器的位移，探针在样品的表 面扫描得到完整图像之形貌变化，这就是接触模式。
1.3 反馈系统
在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信 号经由激光检测器取入之后，在反馈系统 中会将此信号当作反馈信号，作为内部的 调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作 的扫描器做适当的移动，以保持样品与针 尖保持一定的作用力。
3.轻敲模式
用一个小压电陶瓷元件驱动微悬臂 振动，其振动频率恰好高于探针的 最低机械共振频率（～50kHz）。 由于探针的振动频率接近其共振频 率，因此它能对驱动信号起放大作 用。当把这种受迫振动的探针调节 到样品表面时（通常2～20nm）， 探针与样品表面之间会产生微弱的 吸引力。这种吸引力会使探针的共 振频率降低，驱动频率和共振频率 的差距增大，探针尖端的振幅减少。 这种振幅的变化可以用激光检测法 探测出来，据此可推出样品表面的 起伏变化。
AFM 操作模式
一． 接触式 (contact mode) 二． 非接触式 (non-contact mode)（亦即 VDW 模式） 三． 轻敲式 (tapping mode or intermittent contact mode) 四． 相移模式
1.接触模式
将一个对微弱力极敏感的微悬臂的一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖 与样品表面轻轻接触。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（10-8～10-6N），由于样品表面起伏不平而使探针带动微悬臂弯曲 变化，而微悬臂的弯曲又使得光路发生变化，使得反射到激光位置检测器上 的激光光点上下移动，检测器将光点位移信号转换成电信号并经过放大处理， 由表面形貌引起的微悬臂形变量大小是通过计算激光束在检测器四个象限中 的强度差值（A+B）-（C+D）得到的。将这个代表微悬臂弯曲的形变信号 反馈至电子控制器驱动的压电扫描器，调节垂直方向的电压，使扫描器在垂 直方向上伸长或缩短，从而调整针尖与样品之间的距离，使微悬臂弯曲的形 变量在水平方向扫描过程中维持一定，也就是使探针－样品间的作用力保持 一定。在此反馈机制下，记录在垂直方向上扫描器的位移，探针在样品的表 面扫描得到完整图像之形貌变化，这就是接触模式。
AFM-原子力显微镜PPT课件
1.只限于直接观测导体或半导体的表面结构； 2.非导电材料须在其表面覆盖一层导电膜； 3.当表面存在非单一电子态时，STM得到的是表
面形貌和表面电子性质的综合结果。
6
7
AFM发展概况
• 1981年，Binnig G和Rohrer提出扫描隧道显微镜 (STM)原理．并因此而获得1986年诺贝尔物理奖。 STM的分辨能力达原子级，可以用来确定导电物 质固体表面的原子结构和性质。
10
11
AFM的组成
12
13
AFM成像原理
原子力显微镜是一种通过研究样品表
面力同距离关系而获得样品表面形貌信 息的显微术。它不使用STM的金属探针， 而使用一个尖端附有探针的极灵敏的弹 簧壁来作为敏感元件，称之为微悬臂。
将微悬臂的一端固定（对微弱力极敏
感），另一端有一微小的针尖，针尖与 样品表面轻轻接触。针尖尖端原子与样 品表面的原子间存在极其微弱的排斥力。 随后可通过以下两种工作模式中的任何 一种得到表面形貌有关的信息，然后经 过计算机采集、处理，最后成像。
为了准确反应出针尖相对于样品表面微弱的力的变化， Cantilever和针尖的制备是十分关键的，是决定AFM灵 敏 度 的 核 心 ， 因 此 AFM 仪 器 的 发 展 过 程 实 际 上 是 Cantilever的不断改进的过程。
Cantilever通常要满足以下条件：（1）较低的力的弹 性系数；（2）高的力学共振频率；（3）高的横向刚性； （4）尽可能短的悬臂长度；（5）Cantilever需要配有 镜面或者电极，使得能通过光学或者隧道电流方法检测其 动态位移；（6）带有一个尽可能尖锐的针尖。
32
33
34
35
36
37
➢ 可实时地观测表面的三维立体图像，这种实时观测的性能 可用于表面扩散等物理化学过程的监视、检测。
面形貌和表面电子性质的综合结果。
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AFM发展概况
• 1981年，Binnig G和Rohrer提出扫描隧道显微镜 (STM)原理．并因此而获得1986年诺贝尔物理奖。 STM的分辨能力达原子级，可以用来确定导电物 质固体表面的原子结构和性质。
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AFM的组成
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AFM成像原理
原子力显微镜是一种通过研究样品表
面力同距离关系而获得样品表面形貌信 息的显微术。它不使用STM的金属探针， 而使用一个尖端附有探针的极灵敏的弹 簧壁来作为敏感元件，称之为微悬臂。
将微悬臂的一端固定（对微弱力极敏
感），另一端有一微小的针尖，针尖与 样品表面轻轻接触。针尖尖端原子与样 品表面的原子间存在极其微弱的排斥力。 随后可通过以下两种工作模式中的任何 一种得到表面形貌有关的信息，然后经 过计算机采集、处理，最后成像。
为了准确反应出针尖相对于样品表面微弱的力的变化， Cantilever和针尖的制备是十分关键的，是决定AFM灵 敏 度 的 核 心 ， 因 此 AFM 仪 器 的 发 展 过 程 实 际 上 是 Cantilever的不断改进的过程。
Cantilever通常要满足以下条件：（1）较低的力的弹 性系数；（2）高的力学共振频率；（3）高的横向刚性； （4）尽可能短的悬臂长度；（5）Cantilever需要配有 镜面或者电极，使得能通过光学或者隧道电流方法检测其 动态位移；（6）带有一个尽可能尖锐的针尖。
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➢ 可实时地观测表面的三维立体图像，这种实时观测的性能 可用于表面扩散等物理化学过程的监视、检测。
原子力显微镜课件PPT
原子力显微镜的样本可以是生理状态的各种物质, 在大气条件或溶液中都能进行,因而只需很少或不 需对样品作前期处理,这样,就使AFM能观察任何活 的生命样品及动态过程。
2021/3/10
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❖加工样品的力行为
测试样品的硬度和弹性等;AFM还能产生和 测量电化学反应。AFM还具有对标本的分 子或原子进行加工的力行为,例如:可搬移原 子，切割染色体，在细胞膜上打孔等等。
这些显微技术都是利用探针与样品的不同相互作用，来探测表 面或界面在纳米尺度上表现出的物理性质和化学性质。
扫描探针显微镜具有三个传统显微镜无法达到的重大突破
➢扫描探针显微镜具有极高度的解析力 ➢扫描探针显微镜具有三维立体的成像能力 ➢扫描探针显微镜可以在多种环境下操作
2021/3/10
2
• 原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由Binnig与史丹佛大学的Quate 于一 九八五年所发明的
2）非接触扫描成像模式
非接触扫描模式测量时，测量的作用力是以范德华力为主的吸引力，针尖－试件 间距离大致在5～20 nm。
非接触扫描测量模式的主要优点, 是探针和试件不接触，针尖测量时不会使试件 表面变形，适用于弹性模量低的试件，此外因针尖和试件不接触，测量不受毛细力的 影响，同时针尖也不易磨损。但非接触扫描测量模式测量灵敏度要低些。
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3. 原子力显微镜的总体结构组成
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3.2 原子力显微镜的测量和扫描模式
1. AFM检测的要求
探针尖和试件表面非常接近时，二者间的作用力极为复杂，有原子(分子、离子) 间的排斥力(库仑力)、吸引力(范德华力)、磁力、静电力、摩擦力(接触时)、粘附力、 毛细力等。AFM的检测成像用的是原子(分子、离子)间的排斥力(接触测量)或吸引力 (非接触测量)，而其他各种作用力对AFM的检测成像并无帮助，而只是起干扰影响作 用。
原子力显微镜ppt课件
1986年，徳裔物理学家G.Binnig等人原子力显微镜进行了改良，开 始使用微悬臂梁作为探针。
1988年，国外开始对原子力显微镜进行改进，激光检测原子力显微镜。 1989年，白春礼等人研制出了我国第一台原子力显微镜，并跻身于国
际先进行列。
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
原子力显微镜在研究分子识别中的应用
分子间的相互作用在生物学领域中相当普遍， 例如，受体和配体的结合，抗原和抗体的结合， 信息传递分子间的结合等，是生物体中信息传递 的基础。
光学显微镜
显 微 镜
暗视野显微镜 实体显微镜 荧光显微镜 偏光显微镜 位相显微镜 倒置式显微镜 微分干涉显微镜 摄影显微镜
透射式电子显微镜
电子显微镜
扫描式电子显微镜
扫描隧道显微镜、原子力显微镜
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
原子力显微镜的构成
1988年，国外开始对原子力显微镜进行改进，激光检测原子力显微镜。 1989年，白春礼等人研制出了我国第一台原子力显微镜，并跻身于国
际先进行列。
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
原子力显微镜在研究分子识别中的应用
分子间的相互作用在生物学领域中相当普遍， 例如，受体和配体的结合，抗原和抗体的结合， 信息传递分子间的结合等，是生物体中信息传递 的基础。
光学显微镜
显 微 镜
暗视野显微镜 实体显微镜 荧光显微镜 偏光显微镜 位相显微镜 倒置式显微镜 微分干涉显微镜 摄影显微镜
透射式电子显微镜
电子显微镜
扫描式电子显微镜
扫描隧道显微镜、原子力显微镜
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
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原子力显微镜的构成
原子力显微镜AFM精品PPT课件
➢ 两种测量模式
（1）等高测量模式： 探针以不变高度在试件表面扫描，隧 道电流随试件表面起伏而变化，从而 得到试件表面形貌信息。
（2）恒电流测量模式：
探针在试件表面扫描，使用反馈电 路驱动探针，使探针与试件表面之 间距离（隧道间隙）不变。此时探 针移动直接描绘了试件表面形貌。 此种测量模式隧道电流对隧道间隙 的敏感性转移到反馈电路驱动电压 与位移之间的关系上，避免了非线 性，提高了测量精度和测量范围。
F pair 排斥部分
d 吸引部分
原子 原子
原子 排斥力
原子
吸引力
原子间的作用力
19
20
AFM实物照片
扫描探针 磁盘图像
21
正是因为AFM工作时不需要探测隧 道电流，所以它可以用于分辨包括绝缘体 在内的各种材料表面上的单个原子，其应 用范围无疑比STM更加广阔。但从分辨 率来看，AFM要比STM略微低一些。
发展历史 工作原理
应
用
基本原理 仪器构成 工作模式
8
扫描隧道显微测量（STM）
➢ 扫描隧道显微镜1981年由在IBM瑞士苏黎世实验室工作
的G.Binning
和
H.Rohrer
发明，可用于观察物体
A
级的表
面形貌。被列为20世纪80年度世界十大科技成果之一，
1986年因此获诺贝尔物理学奖。
G.Binning
◆ 在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”， 而出现一系列新现象和规律。量子效应、波动特性、 微观涨落等不可忽略，甚至成为主导因素。
◆ 纳米技术研究的主要内容
➢纳米级精度和表面形貌测量及表面层物理、化学性能 检测； ➢纳米级加工； ➢纳米材料； ➢纳米级传感与控制技术； ➢微型与超微型机械。
《原子力显微镜系统》课件
拓展探测功能
开发多模式原子力显微镜，具备多种探测功能，如振动模式、电流 模式等，以便更全面地了解样品性质。
应用领域的拓展
生物医学领域
利用原子力显微镜观察生物大分子结构和细胞表面的形貌，为疾 病诊断和治疗提供有力支持。
能源领域
研究电池材料、太阳能电池等能源器件的表面结构和性能，提升 能源利用效率。
环境领域
常见故障排除
01
02
03
图像问题
检查光源、镜头、样品等 是否正常，确保图像质量 。
仪器失灵
检查仪器线路连接、电源 等是否正常，确保仪器正 常运行。
数据异常
检查数据采集、处理等环 节是否正常，确保数据准 确性。
定期保养与校准
保养
按照厂家推荐的保养周期 ，对仪器进行全面保养。
校准
定期对仪器进行校准，确 保测量结果的准确性。
扫描装置通常由微机械加工技术制造，具有极高的定位 精度和稳定性。
扫描范围可以从几微米到几毫米，具体取决于不同的应 用需求。
反馈系统
反馈系统负责实时监测针尖与 样品之间的相互作用力，并根 据反馈信号调整悬臂的位置，
以保持力恒定。
反馈系统通常由一个差分电容 传感器和一个PID控制器组成。
差分电容传感器能够检测悬臂 的微小位移，并将其转换为电 信号。
《原子力显微镜系统 》PPT课件
目录
CONTENTS
• 原子力显微镜系统概述 • 原子力显微镜系统组成 • 原子力显微镜系统操作流程 • 原子力显微镜系统的维护与保养 • 原子力显微镜系统的未来发展与展望
01 原子力显微镜系统概述
原子力显微镜的定义
01
原子力显微镜是一种利用原子间 微弱作用力来观察物质表面结构 的仪器。
开发多模式原子力显微镜，具备多种探测功能，如振动模式、电流 模式等，以便更全面地了解样品性质。
应用领域的拓展
生物医学领域
利用原子力显微镜观察生物大分子结构和细胞表面的形貌，为疾 病诊断和治疗提供有力支持。
能源领域
研究电池材料、太阳能电池等能源器件的表面结构和性能，提升 能源利用效率。
环境领域
常见故障排除
01
02
03
图像问题
检查光源、镜头、样品等 是否正常，确保图像质量 。
仪器失灵
检查仪器线路连接、电源 等是否正常，确保仪器正 常运行。
数据异常
检查数据采集、处理等环 节是否正常，确保数据准 确性。
定期保养与校准
保养
按照厂家推荐的保养周期 ，对仪器进行全面保养。
校准
定期对仪器进行校准，确 保测量结果的准确性。
扫描装置通常由微机械加工技术制造，具有极高的定位 精度和稳定性。
扫描范围可以从几微米到几毫米，具体取决于不同的应 用需求。
反馈系统
反馈系统负责实时监测针尖与 样品之间的相互作用力，并根 据反馈信号调整悬臂的位置，
以保持力恒定。
反馈系统通常由一个差分电容 传感器和一个PID控制器组成。
差分电容传感器能够检测悬臂 的微小位移，并将其转换为电 信号。
《原子力显微镜系统 》PPT课件
目录
CONTENTS
• 原子力显微镜系统概述 • 原子力显微镜系统组成 • 原子力显微镜系统操作流程 • 原子力显微镜系统的维护与保养 • 原子力显微镜系统的未来发展与展望
01 原子力显微镜系统概述
原子力显微镜的定义
01
原子力显微镜是一种利用原子间 微弱作用力来观察物质表面结构 的仪器。