原子力顯微鏡的工作模式

原子力顯微鏡的工作模式是以針尖與樣品之間的作用力的形式來分類的。主要有以下3種操作模式：接觸模式(contact mode) ，非接觸模式( non - contact mode) 和敲擊模式( tapping mode)。

　　接觸模式

　　從概念上來理解，接觸模式是AFM最直接的成像模式。正如名字所描述的那樣，AFM 在整個掃描成像過程之中，探針針尖始終與樣品表面保持緊密的接觸，而相互作用力是排斥力。掃描時，懸臂施加在針尖上的力有可能破壞試樣的表面結構，因此力的大小范圍在10 - 10～10 - 6 N。若樣品表面柔嫩而不能承受這樣的力，便不宜選用接觸模式對樣品表面進行成像。

　　非接觸模式

　　非接觸模式探測試樣表面時懸臂在距離試樣表面上方5～10 nm 的距離處振蕩。這時，樣品與針尖之間的相互作用由范德華力控制，通常為10 - 12 N ，樣品不會被破壞，而且針尖也不會被污染，特別適合于研究柔嫩物體的表面。這種操作模式的不利之處在于要在室溫大氣環境下實現這種模式十分困難。因為樣品表面不可避免地會積聚薄薄的一層水，它會在樣品與針尖之間搭起一小小的毛細橋，將針尖與表面吸在一起，從而增加尖端對表面的壓力。

　　敲擊模式

　　敲擊模式介于接觸模式和非接觸模式之間，是一個雜化的概念。懸臂在試樣表面上方以其共振頻率振蕩，針尖僅僅是周期性地短暫地接觸/ 敲擊樣品表面。這就意味著針尖接觸樣品時所產生的側向力被明顯地減小了。因此當檢測柔嫩的樣品時，AFM的敲擊模式是最好的選擇之一。一旦AFM開始對樣品進行成像掃描，裝置隨即將有關數據輸入系統，如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰頂之間的最大距離等，用于物體表面分析。同時，AFM 還可以完成力的測量工作，測量懸臂的彎曲程度來確定針尖與樣品之間的作用力大小。

　　三種模式的比較

　　接觸模式(Contact Mode)：

　　優點：掃描速度快，是唯一能夠獲得“原子分辨率”圖像的AFM垂直方向上有明顯變化的質硬樣品，有時更適于用Contact Mode掃描成像。

　　缺點：橫向力影響圖像質量。在空氣中，因為樣品表面吸附液層的毛細作用，使針尖與樣品之間的粘著力很大。橫向力與粘著力的合力導致圖像空間分辨率降低，而且針尖刮擦樣品會損壞軟質樣品(如生物樣品，聚合體等)。

　　非接觸模式(Non-Contact Mode)：

　　優點：沒有力作用于樣品表面。

　　缺點：由于針尖與樣品分離，橫向分辨率低;為了避免接觸吸附層而導致針尖膠粘，其掃描速度低于Tapping Mode和Contact Mode AFM。通常僅用于非常怕水的樣品，吸附液層必須薄，如果太厚，針尖會陷入液層，引起反饋不穩，刮擦樣品。由于上述缺點，on-contact Mode的使用受到限制。

　　輕敲模式(Tapping Mode)：

　　優點：很好的消除了橫向力的影響。降低了由吸附液層引起的力，圖像分辨率高，適于觀測軟、易碎、或膠粘性樣品，不會損傷其表面。

　　缺點：比Contact Mode AFM 的掃描速度慢。

　　其他模式

　　除了上面三種常見的三種工作模式外，原子力顯微鏡還可以進行下面的工作：

　　1、橫向力顯微鏡(LFM)

　　橫向力顯微鏡(LFM)是在原子力顯微鏡(AFM)表面形貌成像基礎上發展的新技術之一。工作原理與接觸模式的原子力顯微鏡相似。當微懸臂在樣品上方掃描時，由于針尖與樣品表面的相互作用，導致懸臂擺動，其擺動的方向大致有兩個：垂直與水平方向。一般來說，激光位置探測器所探測到的垂直方向的變化，反映的是樣品表面的形態，而在水平方向上所探測到的信號的變化，由于物質表面材料特性的不同，其摩擦系數也不同，所以在掃描的過程中，導致微懸臂左右扭曲的程度也不同，檢測器根據激光束在四個象限中，(A+C)-(B+D)這個強度差值來檢測微懸臂的扭轉彎曲程度。而微懸臂的扭轉彎曲程度隨表面摩擦特性變化而增減(增加摩擦力導致更大的扭轉)。激光檢測器的四個象限可以實時分別測量并記錄形貌和橫向力數據。

　　2、曲線測量

　　SFM除了形貌測量之外，還能測量力對探針-樣品間距離的關系曲線Zt(Zs)。它幾乎包含了所有關于樣品和針尖間相互作用的必要信息。當微懸臂固定端被垂直接近，然后離開樣品表面時，微懸臂和樣品間產生了相對移動。而在這個過程中微懸臂自由端的探針也在接近、甚至壓入樣品表面，然后脫離，此時原子力顯微鏡(AFM)測量并記錄了探針所感受的力，從而得到力曲線。Zs是樣品的移動，Zt是微懸臂的移動。這兩個移動近似于垂直于樣品表面。用懸臂彈性系數c 乘以Zt，可以得到力F=c·Zt。如果忽略樣品和針尖彈性變形，可以通過s=Zt-Zs給出針尖和樣品間相互作用距離s。這樣能從Zt(Zs)曲線決定出力-距離關系F(s)。這個技術可以用來測量探針尖和樣品表面間的排斥力或長程吸引力，揭示定域的化學和機械性質，像粘附力和彈力，甚至吸附分子層的厚度。如果將探針用特定分子或基團修飾，利用力曲線分析技術就能夠給出特異結合分子間的力或鍵的強度，其中也包括特定分子間的膠體力以及疏水力、長程引力等。

　　3、納米加工

　　掃描探針納米加工技術是納米科技的核心技術之一，其基本的原理是利用SPM的探針-樣品納米可控定位和運動及其相互作用對樣品進行納米加工操縱，常用的納米加工技術包括：機械刻蝕、電致/場致刻蝕、浸潤筆(Dip-Pen Nano-lithography，DNP)等。