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原子力显微镜的概述
原子力显微镜是以扫描隧道显微镜基本原理发展起来的扫描探针
显微镜。
原子力显微镜的出现无疑为纳米科技的发展起到了推动作用。
原子力显微镜（Atomic Force Microscope ，AFM），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形貌结构信息及表面粗糙度信息。
相对于扫描电子显微镜，原子力显微镜具有许多优点。
不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM提供真正的三维表面图。
同时，AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。
第三，电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。
这样可以用来研究生物宏观分子，甚至是活的生物组织。
1。
原子力显微镜（afm）的基本构成原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种用来观察物质表面形貌的高精密显微镜。
它采用原子力探针技术，可以在几个纳米至几个微米的尺度范围内进行观测，并能提供非常高分辨率的表面形貌信息。
AFM的基本构成包括机械支撑系统、探针系统和控制系统。
下面将分别介绍其构成要素。
1.机械支撑系统：机械支撑系统是AFM的重要组成部分，用于稳定和保持探针与样品之间的相对位置。
它通常由几个关键部件组成：-扫描装置：扫描装置用于水平移动样品或探针，以实现对样品表面的扫描。
扫描装置由X、Y、Z三个方向上的驱动器组成，可实现物理、电机或压电驱动。
-压电陶瓷：压电陶瓷在AFM中用于控制探针的位置和微小位移。
当施加电压时，压电陶瓷会发生形变，从而移动探针的位置。
-悬臂杆：悬臂杆作为一种机械支撑装置，用于支撑和稳定探针的位置。
悬臂杆通常由弹性材料制成，如硅或硅质材料。
2.探针系统：探针系统是AFM的核心部件，用于接触和测量样品表面的形貌。
探针系统通常由两个主要组件组成：-探针：探针是AFM中与样品直接接触并进行测量的部分。
它通常由硅制成，并在其一侧附着探针尖端。
探针尖端具有非常小的尺寸，在几纳米至几十纳米之间。
-接收器：接收器用于接收探针与样品之间的相互作用力。
它通常由光学或电子传感器组成，可测量探针的位移，并将其转换为电信号。
3.控制系统：控制系统用于控制和测量AFM的各种参数，以提供准确的表面形貌信息。
它通常由几个关键组件组成：-仪器控制器：仪器控制器用于控制AFM的各种操作，如扫描速度、力量控制等。
它具有一个用户界面，可以通过操作界面进行参数设置和图像显示。
-数据采集卡：数据采集卡用于接收和记录探针接触样品时的力信号，并将其转换为数字信号。
这些数据可以被后续分析软件用于生成图像和数据处理。
-反馈系统：反馈系统用于监测和控制探针与样品之间的相互作用力。
它通过比较实际测量力和设定的参考力，并调整探针位置和扫描速度，以保持探针与样品之间的相对位置不变。
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。
原子力显微镜简介1.原子力显微镜的发展历史2.原子力显微镜的基本原理3.原子力显微镜的要素4.原子力显微镜的操作模式5.原子力显微镜的针尖卷积效应与图像假像6.原子力显微镜的应用进展•三维扫描控制•控制电路•振荡隔离系统•微悬臂形变检测方法•微悬臂的设计思想及制作方法•基本成像模式•派生成像模式•谱学模式原子力显微镜的发展历史mmμmnm10-910-610-3m肉眼可见光学显微镜扫描电镜扫描探针显微镜扫描I 扫描IZ I 一次扫描扫描示意图扫描隧道显微镜(STM)的发明和原理1982年，IBM 苏黎世实验室的G. Binnig 博士和H. Rohrer 博士及其同事们发明了STM氙原子在镍(110)表面排成的最小IBM商标铜(111)表面上的铁原子量子围栏搬走原子写“中国”铂表面上一氧化碳分子排成的“纳米人”铁原子在铜(111)表面排成的汉字原子力显微镜(AFM)的发明由于STM是利用隧道电流进行表面形貌及表面电子结构性质的研究，所以只能直接对导体和半导体样品进行研究，不能用来直接观察和研究绝缘体样品和有较厚氧化层的样品。
1986年Binnig、Quate和Gerber发明了第一台原子力显微镜1987年Quate等人获得了高定向热解石墨（HOPG）的高分辨原子图像1987年，Quate等人获得了高定向热解氮化硼（HOPBN）表面的高分辨原子图像，其中HOPBN是第一个用AFM获得原子分辨图像的绝缘体。
原子力显微镜的派生功能摩擦力显微镜（FFM）磁力显微镜（MFM）导电AFM（CAFM）静电力显微镜（EFM ）表面电势成像（SP imaging）扫描电化学显微镜（SECM）扫描电容显微镜（SCM）扫描热显微镜（SThM）这些新型的显微镜，都利用了反馈回路通过针尖和样品的某种作用（光、电、热、磁、力等）来控制针尖在距表面一定距离处扫描，从而获得表面的各种信息。
原子力显微镜的基本原理在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间的相互作用力，来研究待测物表面的形貌和物理化学特性。
原子力显微镜基础知识解读原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种高分辨率的显微镜，可用于研究物质的表面形态、力学性质等。
AFM采用扫描探针从样品表面扫描，利用针尖与样品表面的相互作用力来获得样品表面的形貌信息。
AFM具有高分辨率、非接触测量、可以在常温常压下进行实验等优点，因此被广泛应用于物理、化学、材料等多个领域的研究。
AFM工作原理AFM探头在扫描样品表面的过程中，通过针尖与样品表面的相互作用力（包括原子间力、化学键力、范德华力、弹性力等）来感知样品表面形态信息。
AFM采用的采样频率一般在几十赫兹到几百赫兹之间，探测范围在纳米到微米之间，精度可达纳米级别。
AFM探测原理大体可以分为力-位移探测和干涉仪探测两种方式。
力-位移探测是利用弹性探针尖部与样品表面间的相互作用力来感知样品表面形态信息。
探针在扫描样品表面时，探针尖部的位置发生微小变化，这种变化可以通过晶体谐振试验测量得到。
干涉仪探测则是采用光学干涉原理，通过探针尖部的振动干涉信号来获得样品表面形态的信息。
AFM应用领域AFM在各个领域有着广泛的应用。
在表面形态方面，AFM可以获得样品表面形貌、粗糙度、角度等信息。
在生物领域，AFM 可以用于测量蛋白质、DNA、细胞等的力学性质，如弹性模量、形变硬度等。
在材料科学领域，AFM可以用于材料表面物理性质的研究，如表面润湿性、磁性、电学性质等。
在纳米科技领域，AFM可以用于制备纳米结构及其表面形态研究等。
使用AFM时需要注意的事项在使用AFM时需注意：1、准备好样品。
样品应具备光洁度、平整度等要求，要排除可能引起探针损坏或测量误差的因素。
2、确定扫描范围。
根据需要获得的样品表面信息，确定扫描范围及分辨率。
3、选择适量的力度。
根据样品类型及探针硬度等因素，选择适量的力度。
4、检测探针。
检测探针的质量及硬度等特性。
5、设置参数。
根据采样方式、探租类型及大小等，设置相应的参数。
化学物质的原子力显微镜原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种能够获得材料表面拓扑结构信息的先进纳米分析仪器。
利用其高分辨率的成像能力，我们可以观察和研究化学物质的微观结构和性质。
本文将介绍原子力显微镜的工作原理、应用领域以及未来的发展趋势。
一、工作原理原子力显微镜是一种基于在原子尺度上感知力的技术。
其工作原理可以简单概括为通过探针与样品表面之间的相互作用来获取样品表面形貌信息。
其关键部件是一个高精度的微悬臂，类似一个弹簧，其尖端装配有一个纳米级的探针。
当探针靠近样品表面时，通过悬臂的微弯变化，可以感知到与样品表面的相互作用力。
通过记录探针与样品的相对位置变化，就可以重构出样品的表面形貌。
二、应用领域1. 材料科学研究：原子力显微镜可以帮助我们观察材料的晶格结构、表面形貌和纳米尺度下的力学性质。
这对于材料研究和新材料的开发具有重要意义。
2. 纳米电子学：原子力显微镜可以在纳米尺度上探测和调控器件的结构和性能。
这对于纳米电子器件的设计和制备具有重要的参考价值。
3. 生物医学领域：原子力显微镜可用于研究生物材料的表面形貌、细胞力学性质和蛋白质折叠状态。
这对于生物医学研究、药物开发和疾病诊断具有重要作用。
三、未来发展趋势1. 高速成像：目前，原子力显微镜的成像速度相对较慢，通常需要几分钟到几小时来获得一张高质量的成像图像。
未来的发展方向是提高成像速度，实现快速、实时的成像。
2. 多模式集成：当前的原子力显微镜通常只能提供一种成像模式，如接触模式或非接触模式。
未来的发展方向是实现多模式集成，使得同一台仪器能够提供多种不同的成像模式。
3. 原位测量：原子力显微镜通常是在大气环境下进行成像，而在许多应用领域，如材料科学和生物医学，所研究的样品往往需要在真空、高温或湿润等特殊环境下进行测量。
未来的发展方向是实现原位测量，使得原子力显微镜能够适应更多的实际应用需求。
结语原子力显微镜作为一种强大的纳米级成像工具，已经在许多领域展现出巨大的潜力。
原子力显微镜（afm）的基本构成原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种测量样品表面形貌和力学性质的仪器。
它是在20世纪80年代末发展起来的一种非接触式表面探测技术。
AFM可以在几个纳米至亚纳米尺度范围内进行表面测量，可用于对样品的形貌、磁性、电导率等性质进行研究。
下面将介绍AFM的基本构成。
1.扫描压电陶瓷动力系统：该系统由扫描器和压电陶瓷驱动器组成。
扫描器通常由三个方向的压电陶瓷构成，通过改变瓷片的形变来实现样品表面的扫描。
压电陶瓷驱动器则负责产生电压信号，控制扫描器的移动。
这个系统的精度决定了扫描和测量的精度。
2.悬臂梁/探针：AFM的探测部分由一个非常尖锐的探针组成。
探针的尖端通常是金或硅制成，其尺寸可以从几纳米到亚纳米。
悬臂梁/探针连接到悬臂支撑系统，其作用是传递扫描过程中对样品表面的力信号。
3.光学探测系统：AFM使用光学技术来获取样品的形貌信息。
光学系统通常包括激光光源、光学透镜和位移检测器。
激光光源发出一束光束，照射到悬臂梁上，并反射到位移检测器上。
位移检测器测量悬臂的挠度，并将其转换为电信号。
4.反馈系统与力曲线：AFM通过一个反馈系统来实现对扫描过程中的力信号的控制。
反馈系统会监测探针受到的力，将其与设定的力进行比较并进行调整，以保持恒定的力作用在探针上。
此外，反馈系统还会记录力曲线，即探针所受到的力与其在样品表面扫描位置之间的关系。
5.控制和数据分析系统：AFM的控制系统通过电脑来实现。
该系统控制扫描器的移动和力信号的获取，并根据获取的数据进行分析和处理。
用户可以通过电脑软件来控制AFM仪器的各种参数，并进行样品表面的三维成像、力谱分析等。
除了以上基本构成外，AFM还可以根据研究需求配备不同的显微镜头，以扩展其应用范围。
常见的显微镜头包括原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）、磁力显微镜（Magnetic Force Microscope，简称MFM）、电导率显微镜（Conductive Atomic Force Microscope，简称C-AFM）等。
一、布鲁克 icon 原子力显微镜简介布鲁克 icon 原子力显微镜是一种高级显微镜，能够以原子尺度来观察物质的表面形貌和性质。
它可以实现对样品表面的高分辨率成像、力曲线测量和参数设置等功能，广泛应用于材料科学、纳米科技、生物医学等领域。
二、布鲁克 icon 原子力显微镜的工作原理介绍1. 原子力显微镜的成像原理布鲁克 icon 原子力显微镜采用探针与样品交互产生微小力的原理进行成像。
当探针与样品表面接近时，原子间作用力将导致探针的运动，根据探针的运动情况，可获得样品表面的形貌信息。
2. 力曲线测量原理布鲁克 icon 原子力显微镜能够通过探测探针的纵向位移，获得样品表面的硬度、粘附力等力学性质参数。
实现对样品表面性质的定量测量。
3. 参数设置原理在布鲁克 icon 原子力显微镜的实验中，参数设置十分重要。
包括扫描速度、扫描范围、探针硬度等参数的设置，直接影响着成像效果和力曲线测量结果的准确性。
三、布鲁克 icon 原子力显微镜的力曲线测量1. 力曲线测量的意义力曲线测量是原子力显微镜中的一项重要功能，它能够通过探针对样品表面施加的微小压力，产生探针与样品间的力曲线图，从而获得样品表面的力学性质参数。
2. 力曲线测量的步骤力曲线测量一般包括探针落下、接触样品、施加压力、撤离样品等步骤。
在实际操作中，需要设置好相关参数，确保力曲线测量的准确性。
3. 力曲线测量的应用布鲁克 icon 原子力显微镜的力曲线测量广泛应用于材料科学、纳米科技等领域，能够研究样品表面的硬度、粘附力、弹性模量等重要参数，为材料性能研究提供了重要依据。
四、布鲁克 icon 原子力显微镜的参数设置1. 扫描速度的设置扫描速度是原子力显微镜中重要的参数之一，它直接影响着成像的分辨率。
合理的扫描速度能够确保成像效果清晰，同时也能够提高工作效率。
2. 扫描范围的设置扫描范围是指探针在样品表面移动的范围，合理的扫描范围能够确保对样品表面的全面观察，同时也能够避免对样品的损伤。
一、实验目的1、了解原子力显微镜的基本原理；2、了解原子力显微镜的使用；3、用原子力显微镜观察一些聚合物的聚集态结构。
二、实验原理原子力显微镜通过一端固定而另一端装有纳米级针尖的弹性微悬臂（图1）来检测样品表面形貌。
针尖在样品表面扫描时，针尖和样品之间会发生相互作用，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，通过形变量就可以了解样品－针尖之间的相互作用，获取样品表面形貌的三维信息。
结构如图2，核心部件有四个：为反馈光路提供电源的激光系统（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）、接受光反馈信号的光电探测器（detector），之外还有反馈电子线路（current circle）、粗略定位系统、防震仿噪系统、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、气体环境控制等）、检测激光－悬臂－样品相对位置的显微及CCD摄像系统等。
Figure 1. SEM images of thesilicon cantilever of the AFMFigure 2. The structure ofatomic force microscope如图3所示，二极管激光器（Laser Diode）发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂（Cantilever）背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器（Detector）。
在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。
Figure 3. Scheme of the working atomicforce microscope tip detected by laserFigure 4. The force-distance distributiondepicting work modes of AFM当探针与样品间距离不同时，探针所受的力也是不同的。
原子力显微镜的简介廖烈文143071302481 AFM的发明1981年，格尔德·宾宁（G．Binnig）及海因里希·罗雷尔（H．Rohrer）在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明了扫描隧道显微镜（STM），两位发明者因发明这个显微镜，与恩斯特·鲁斯卡共同获得了1986年诺贝尔物理学奖，使人们首次能够真正实时地观察到单个原子在物体表面的排列方式和表面电子行为有关的物理、化学性质[1]。
但是，由于工作原理的限制，STM不能够用于观察绝缘物体的纳米结构，得到的结果也是表面高低起伏与导电性能变化的复合图象，无法分离出单纯的表面起伏数据，在此需求下，1986年，IBM公司苏黎世研究中心的格尔德·宾宁（G．Binnig）、斯坦福大学的凯尔文·魁特（Calvin Quate）（另有一说是和格勃（Gerber）三人于1985年）发明了第一台原子力显微镜（Atomic Force Microscope），很好的解决了STM无法观察绝缘物体的缺陷，不需要用导电薄膜覆盖，其应用领域将更为广阔．它得到的是对应于样品表面总电子密度的形貌，可以补充STM对样品观测得到的信息，且分辨率亦可达原子级水平[2]。
2 AFM的工作原理AFM的工作原理如下：讲一个对微小力极为敏感的悬臂梁与一个可精密控制的压电陶瓷固定在一起，悬臂梁的另一头有一个微小的针尖，当针尖与样品之间的距离足够小，以至于达到原子级别时，二者之间的表面原子会存在极为微弱的相互作用力（可能是范德华力、克什米尔效应等）（10-8~10-6N），这个微弱的作用力导致悬臂梁在z方向形变，通过各种检测方法，可以将形变量记录下来。
这个形变量即反映了样品表面的形貌。
AFM的关键组成部分是一个头上带有一个用来扫描样品表面的尖细探针的微观悬臂，悬臂的弯曲遵循胡克定律，即弯曲程度与所受外力成正比，公式F = K·ΔZ，这样的函数关系便能够表达出样品表面的高低起伏。
现代材料分析方法原子力显微镜引言：原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是一种重要的现代材料分析方法。
它是扫描探针显微技术的延伸，能够在纳米尺度上实现高分辨率的表面形态观察与力学性质测量。
本文将对原子力显微镜的原理、工作方式以及在材料分析中的应用进行详细介绍。
一、原子力显微镜的原理原子力显微镜是通过采用一根非常细微的探针来扫描样品表面，然后利用由探针与样品表面之间的相互作用引起的微小位移或力的变化，来获取表面形貌的一种显微仪器。
原子力显微镜的操作原理可以概括为以下几个步骤：1.将探针靠近样品表面，形成近邻距离；2.探针与样品表面之间的相互作用（通常为范德华力和弹性力）引起探针的振幅或共振频率的改变；3.根据这些变化，通过对探针进行调节使得探针与样品之间的相互作用恒定；4.再根据探针的运动调整探针离开样品的高度，保持探针与样品之间的恒定力。
二、原子力显微镜的工作方式原子力显微镜可以通过不同的工作方式来获得不同的信息。
1.接触模式：探针与样品之间保持接触，并测量在探针与样品之间的范德华力改变时探针的位移而获得表面形貌。
探针与样品的接触会引起样品表面的损伤，不适合对脆性材料的表面进行观察。
2.非接触模式：探针与样品之间存在离散的范德华力。
探针通过振动，在探针和样品之间测量相互作用的变化。
非接触模式适用于对脆性材料和生物样品的观察。
3.谐振模式：探针在谐振频率附近振动，在探针和样品之间测量相互作用的变化。
谐振模式可以获得高分辨率的表面形貌和弹性性质。
三、原子力显微镜在材料分析中的应用原子力显微镜在材料科学领域有广泛的应用，可以用于表面形貌观察、力学性质测量、电学性质研究等方面。
1.表面形貌观察：原子力显微镜具有高分辨率，可以实现对表面纳米结构的直接观察。
通过扫描样品表面，可以获取材料表面的形貌、粗糙度和形貌特征等信息。
2.力学性质测量：原子力显微镜可以通过测量探针和样品之间的相互作用力来获得样品的力学性质。
一、原子力显微镜简介原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM），一种可用来研究包括导体、半导体和绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。
它的横向分辨率可达0.15m，而纵向分辨率可达0.05m，AFM最大的特点是可以测量表面原子之间的力，AFM可测量的最小力的量级为10-14-10-16N。
AFM还可以测量表面的弹性，塑性、硬度、黏着力等性质，AFM还可以在真空，大气或溶液下工作，也具有仪器结构简单的特点，在材料研究中获得了广泛的研究。
它与其他显微镜相比有明显不同，它用一个微小的探针来”摸索”微观世界，AFM超越了光和电子波长对显微镜分辨率的限制，在立体三维上观察物质的形貌，并能获得探与样品相互作用的信息，典型AFM的侧向分辨率（x，y）可达到2nm，垂直分辩牢（方间）小于0。
1mmAFM具有操作客易、样品准备简单、操作环境不受限制、分辨率高等优点。
二、原子力显微镜的基本原理AFM中为检测出表面力而精细加工的感知杠杆使用了一端支撑的微小弹簧板。
在感知杠杆的尖端有半径几十纳米、非常尖的小探针，感知杠杆从试件表面受到探针的作用力变形。
感知杠杆的弹性系数K 一般为已知，通过用隧道电流或激光束偏移，来检测感知杠杆在Z方向上的微小位移△Z，可知作用在探针一表面之的局力（F=K△Z）。
一边测定该力，一边对试样进行机械的二维扫描，就能得到试样表面力的二维像。
为保持力的信号稳定，一边控制试样Z方向的位置，一边扫描试样，记录各点的移动量，就可以得到三维的精细形貌像。
图1当探针尖和试件表面的距离缩小到纳米数量级时，探针尖端原子和试件表面原子间的相互作用力就显示出来，由于原子间距离缩小产生相互作用，造成原子间的高度势垒降低，使系统的总能量降低，于是二者之间产生吸引力（范德华力），如果两原子间距离继续减小接近到原子直径量级时，由于两原子间的电子云的不相容性，两原子间的相互作用为排斥力（库仑力），原子力显微镜就是通过检测探针尖和试件表面原子间的相互作用力而进行测量的。
原子力显微镜简介1.原子力显微镜的发展历史2.原子力显微镜的基本原理3.原子力显微镜的要素4.原子力显微镜的操作模式5.原子力显微镜的针尖卷积效应与图像假像6.原子力显微镜的应用进展•三维扫描控制•控制电路•振荡隔离系统•微悬臂形变检测方法•微悬臂的设计思想及制作方法•基本成像模式•派生成像模式•谱学模式原子力显微镜的发展历史mmμmnm10-910-610-3m肉眼可见光学显微镜扫描电镜扫描探针显微镜扫描I 扫描IZ I 一次扫描扫描示意图扫描隧道显微镜(STM)的发明和原理1982年，IBM 苏黎世实验室的G. Binnig 博士和H. Rohrer 博士及其同事们发明了STM氙原子在镍(110)表面排成的最小IBM商标铜(111)表面上的铁原子量子围栏搬走原子写“中国”铂表面上一氧化碳分子排成的“纳米人”铁原子在铜(111)表面排成的汉字原子力显微镜(AFM)的发明由于STM是利用隧道电流进行表面形貌及表面电子结构性质的研究，所以只能直接对导体和半导体样品进行研究，不能用来直接观察和研究绝缘体样品和有较厚氧化层的样品。
1986年Binnig、Quate和Gerber发明了第一台原子力显微镜1987年Quate等人获得了高定向热解石墨（HOPG）的高分辨原子图像1987年，Quate等人获得了高定向热解氮化硼（HOPBN）表面的高分辨原子图像，其中HOPBN是第一个用AFM获得原子分辨图像的绝缘体。
原子力显微镜的派生功能摩擦力显微镜（FFM）磁力显微镜（MFM）导电AFM（CAFM）静电力显微镜（EFM ）表面电势成像（SP imaging）扫描电化学显微镜（SECM）扫描电容显微镜（SCM）扫描热显微镜（SThM）这些新型的显微镜，都利用了反馈回路通过针尖和样品的某种作用（光、电、热、磁、力等）来控制针尖在距表面一定距离处扫描，从而获得表面的各种信息。
原子力显微镜的基本原理在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间的相互作用力，来研究待测物表面的形貌和物理化学特性。
AFM 利用的基本原理有几种典型的相互作用力可以作为AFM 的检测信号：范德华力，静电力、磁力等间歇接触恒力扫描恒高扫描ZF扫描示意图恒力和恒高扫描成像XZ Y计算机和反馈控制显示器针尖与微悬臂激光检测器样品压电陶瓷扫描管原子力显微镜的工作原理针尖和样品之间的力F 与微悬臂的形变Δz F ＝k ·Δz原子力显微镜的要素所谓压电效应是指某些晶体材料在受到机械力作用发生形变时，会产生电场，或给晶体加一电场时，会产生物理形变的现象。
PZT 压电陶瓷能简单地将1mV~1000V 的电压信号转换成十几分之一纳米到数微米的机械位移，完全满足SPM三维扫描控制精度的要求三维扫描控制压电三脚架压电陶瓷管双层压电晶片驱动的三脚架结构微加工的压电驱动器，可进行纵向、横向、垂直弯曲及扭转运动控制电路接触模式非接触模式间歇接触模式振动隔离系统提高仪器的固有振动频率和使用振动阻尼系统振动源：建筑物振动（10－100Hz ）通风管道、变压器和马达（6－65Hz ）人走动（1－3Hz ）声音等减震系统的设计：1－100Hz 之间的振动AFM 刚性的结构设计:尽可能高的共振频率fs 。
刚性越大，对外部减震系统的要求就越低，因为由刚体的固有结构阻尼产生的滞后损失可以有效地散逸外界振动。
振动隔离系统:固有频率越低，振动隔离效果越好。
•弹簧-阻尼系统•平板－弹性体堆垛系统•充气平台微悬臂形变检测方法针尖和样品之间的力F与微悬臂的形变Δz F＝k·Δz，其中，k为微悬臂的力常数1.隧道电流检测法2.电容检测法3.光学干涉法4.光束偏转法自由排斥吸引分辨率信噪比隧道电流高，Z向0.01nm低针尖的污染，热振动、热漂移抗噪音水平低灵敏度和信噪比都高，设备复杂光束偏转法较高，z向0.003nm高原理和技术简单，精度也较高，适用范围广电容法高，Z向0.01nm低光学干涉法高，z向0.001nm高微悬臂的设计--分辨率和噪音水平•很小的力常数一般为0.01～100 N/m微悬臂变形量的检测灵敏度可以达到nm 量级，这样针尖与样品之间零点几个纳牛顿（nN ）作用力的变化就可以被检测到•共振频率必须足够高，减小振动和声波的干扰(>10kHz)•微悬臂的长度要短，质量要小，以满足低力常数和高共振频率的要求•微悬臂要有较高的横向刚性•非固定端带有一个纵横比较高的尖锐针尖•光学偏转法检测微悬臂位移的仪器，要求微悬臂的背面有平滑的光学反射面SL EI f ρ42314.0=33LEI k =2257.957.9Mf LSf k ==ρ微悬臂的制作各种微悬臂SPM仪器的结构原子力显微镜的操作模式¾接触式原子力显微镜（contact AFM ）：利用原子斥力的变化而产生表面轮廓。
¾非接触式原子力显微镜（non-contact AFM ）：利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓。
¾间歇接触模式原子力显微镜（Intermittent-Contact AFM ）：是接触与非接触两种模式的混合。
AFM的分类原子力显微镜的常见的几种操作模式z接触式AFM可能获得原子分辨图像。
z由于表面摩擦和粘滞可能会有假象。
z可能会使表面变形，针尖容易磨损钝化。
非接触式AFM一般是频率调制或者是相位调制，分辨率更高。
操作复杂，环境噪声干扰大，一般在真空中能够实现。
间歇接触模式AFM，可对软样品成像，由剪切力引起的分辨率的降低和对样品的破坏几乎消失。
克服了室温大气环境下大多数样品表面上薄液层的粘滞（Tapping，Dynamic AFM，MAC mode，Non－contact mode）间歇接触式原子力显微镜自由振荡表面接触振幅，频率，相位，微悬臂的偏转如组分、粘滞力、摩擦力、粘弹性、电、磁等性质的信息相位成像短程的相互作用包括粘滞力和摩擦力长程的相互作用包括电场力和磁场力。
相位敏感J. P. Rabe, Adv. Mater. 1998, 10, 793.静电力显微镜成像探测样品的表面电荷，表面电势，界面电势分布、器件失效分析等Paul L. McEuen,PRL,2000,84,6082磁力显微镜成像hh 抬高扫描轨迹主扫描轨迹磁盘摩擦力显微镜样品平面内纳米尺度的各向异性特征也可以与纵向的磁力、静电力等表征结合互相补充原子力显微镜的动态横向力模式TRmodeLM-FFM力曲线的测量1256Z Displacement24533TouchingAdhesionNontouching64D e f l e c t i o n接触形变问题力常数测定问题接触形变接触形变理论—（1）Hertz理论（2）JKRS模型（Johnson-Kendall-Roberts-Sperling model）假设：1）短程表面（粘附）力存在，但只作用于接触面积处。
2）允许局域变形/neck的形成。
）（3）DMT模型（Derjaguin-Muller-Toporov model）假设：1）表面力存在，并可波及接触面积之外的有限区域2）属于Hertzian形变，在界面处不形成neck。
AFM微悬臂力常数（k）的测定Hooke 定律：F = k Δz334LEbt k =•E 为微悬臂的杨氏模量，b 为微悬臂的宽度，t 为微悬臂的厚度，L 为微悬臂的长度•三角微悬臂近似为两根平行的长方形梁12几何尺寸计算法*mM k +=ω共振频率测定法M 为微悬臂本身的固有质量，m*为固定于微悬臂顶端的胶粒的重量AFM微悬臂力常数（k）的测定2202212q m m p H ω+=q 为谐振子偏离平衡位置的位移，p 为谐振子的动量，m 为谐振子的等效质量，为谐振子的共振角频率4热噪声谱在温度为T 时，T k q mw B 2121220=一谐振子，弹性常数k 和共振频率满足k=m ω022qTk k B =20ωΔZ3偏移平衡位移每次针尖与样品接触时，成键分子数可能不同，因此测得的力并不一定相同。
D e fle ctio n /nm C ou n t-5510152253035400510152025高斯统计Adhesion Force力滴定曲线粘附力的高斯统计。
取最可几值。
范德华力、双电层力、氢键、化学键、配受体作用、DNA双螺旋的互补作用、细胞间的粘附力等。
键能、结合能测定分子识别生物体系中的相互作用蛋白质变性原子力显微镜的针尖卷积效应与图像假像W/2RH硬球几何模型针尖去卷积AFM横向分辨率：针尖形状，像素数AFM图像的假像针尖污染多针尖扫描管非线形针尖不能跟踪表面原子力显微镜的应用进展Si Franz J. Giessibl, PNAS 2003, 100, 12539Franz J. Giessibl, Science , 2000,289, 422HOPG FM-AFM 的原子和亚原子分辨KCl Yamada, APL 2005相位调制AFMIn AM-AFM, detection signalΔA.both conservative and dissipative interaction forces, topographic artifacts.The time response of A becomes slower with increasing Q factor.In FM-AFM, detection signalΔfthe time response of f is not influenced by the Q factor.capable of measuring the conservative and dissipative interaction forces independently.A stable self excitation requires a clean cantilever deflection signal and, hence, can be disrupted by the occasional tip crash or adhesion.In PM-AFM, detection signalΔfStable imaging even with the occasional tip crash or adhesion to the surface. time response is not influenced by the Q FactorCapability of imaging atomic-scale features of mica in water.Rev. Sci. Instru，2006，77，123703AFM of bacterial surface layersAFM image of the S-layer of Bacillus sphaericus CCM2177 imaged in contact mode under water. The center-to-center spacing of the morphological units is 13.1nm.单分子力谱Gaub，Science paperAu-Pd 合金上刻写的世界上最小的唐诗（10 µm ×10 µm ）-----AFM机械刻蚀技术硅（111）面上的氧化硅纳米柱阵列⎯AFM 纳米氧化刻蚀技术石墨上的金纳米点阵列（2 µm ×2 µm ）----AFM场致蒸发技术Si 表面氧化加工。
