1982年，Gerd Binning及其合作者在IBM公司蘇黎世實驗室共同研制成功了第一臺掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope，STM)，其發明人Binning 因此獲得1986 年的諾貝爾物理獎。掃描隧道顯微鏡的工作原理是：當探針與樣品表面間距小到納米級時，按照近代量子力學的觀點，由于探針尖端的原子和樣品表面的原子有波動性，兩者的波函數相互疊加，故在兩者間會產生電流，該電流稱為隧道電流，且該隧道電流在納米級的距離下隨距離的變化非常顯著。
STM就是通過檢測隧道電流來反映樣品表面形貌和結構的。STM要求樣品表面能夠導電，從而使得STM只能直接觀察導體和半導體的表面結構；對于非導電的物質則要求樣品覆蓋一層導電薄膜，但導電薄膜的粒度和均勻性難以保證，且導電薄膜會掩蓋樣品表面的許多細節，因而使得STM的應用受到限制。為了克服STM的不足，Binning、Quate和Gerber于1986 年研制出了原子力顯微鏡(atomic force microscope，AFM)。AFM是通過探針與被測樣品之間微弱的相互作用力(原子力) 來獲得物質表面的形貌信息。
因此，AFM除導電樣品外，還能夠觀測非導電樣品的表面結構，其應用領域更為廣闊。AFM得到的是對應于樣品表面總電子密度的形貌，可以補充STM觀測的樣品信息，且分辨率亦可達原子級水平，其橫向分辨率可達0.1nm，縱向分辨率可達0.01nm。STM和AFM及其它一些相關產品統稱為掃描探針顯微鏡（scanning probe microscope, SPM）。
自掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）發明以來，其在機械學、材料學、電子學以及原子、分子操縱[1-2]和表面科學[3-4]等領域的研究中得到了廣泛的應用。本文采用國產的本原CSPM3000掃描探針顯微鏡對幾種材料進行了表面表征分析工作，其工作環境為：環境溫度為20~25℃，濕度為40~50%。
1. 原子力顯微鏡在催化納米材料表征中的應用
將催化劑顆粒用溶膠-凝膠法固定在基片上，用原子力顯微鏡掃描可清楚地觀察到催化劑顆粒的大小、形狀及其在基片上的分布狀況。運用后處理軟件可進行粒度分析，得到其粒度分布的信息。圖1為氧化鋅顆粒在玻璃片上的AFM圖，圖中可以看到顆粒的分布比較均勻，通過圖3(a)的分析可知該催化劑顆粒的平均粒徑為52.2nm，高度為53.6nm。積分得到顆粒面積集中分布在500~3500nm2之間，即若顆粒為球型，則顆粒直徑則主要分布在25~75nm之間，如圖3(b)所示。圖2為經過其它方法處理并鍍膜得到的氧化鋅顆粒的AFM圖像，其粒徑分布在10nm左右，顆粒粒徑較小，則其分布更加均勻，這有利于提高氧化鋅催化劑的催化性能。
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圖1 氧化鋅顆粒分布的AFM圖(單位：nm) | 圖2 氧化鋅薄膜的AFM圖(單位：nm) |
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圖3 氧化鋅顆粒的顆粒比例圖（a）和粒度分布圖（b） |
2. 原子力顯微鏡在乳膠材料表征中的應用
乳膠顆粒的大小分布是影響其性能的關鍵，用原子力顯微鏡可對其顆粒生長進行監測和分析，協助研究膠粒控制及乳膠成膜機理等。乳膠的AFM表征如圖4、圖5和圖6所示。
