手機(jī)版
化工儀器網(wǎng)手機(jī)版
化工儀器網(wǎng)小程序
官方微信
公眾號(hào)：chem17
掃碼關(guān)注視頻號(hào)
在微觀世界的探索中，光學(xué)顯微鏡讓我們看到了細(xì)胞，電子顯微鏡讓我們分辨了病毒，但當(dāng)我們需要“觸摸”和“感受”納米尺度下物質(zhì)的表面起伏時(shí)，一種強(qiáng)大的工具應(yīng)運(yùn)而生——原子力顯微鏡。它不僅是顯微鏡，更是一支能在原子尺度上“寫字作畫”的神奇手指。
一、 什么是原子力顯微鏡？
原子力顯微鏡是一種可用來研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。它的大優(yōu)勢在于突破光學(xué)衍射極限，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)甚至原子級(jí)的分辨率，并且無需復(fù)雜的樣品制備，在常溫、常壓甚至液體環(huán)境中都能直接觀測樣品表面三維形貌。
核心特點(diǎn)：
高分辨率： 可達(dá)原子級(jí)別（0.1 nm）。
適用性廣： 可觀測導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體樣品。
環(huán)境友好： 可在真空、大氣、溶液等多種環(huán)境中工作。
功能強(qiáng)大： 不僅能成像，還能進(jìn)行納米操縱、力譜測量等。
二、 核心結(jié)構(gòu)：“感知”微觀世界的精密系統(tǒng)
原子力顯微鏡雖然精密，但其核心結(jié)構(gòu)可以概括為以下幾個(gè)關(guān)鍵部分：
1. 力傳感器：系統(tǒng)的“心臟”
這是AFM最核心的部分，主要由一個(gè)極細(xì)的懸臂和其末端一個(gè)更尖銳的探針組成。探針的尖端通常只有幾個(gè)到幾十個(gè)原子的尺寸，正是它去“觸摸”樣品表面。懸臂就像一個(gè)小小的跳水板，非常柔軟，對(duì)微弱的力極其敏感。
圖：AFM探針和懸臂的電子顯微鏡照片，展示了其納米級(jí)別的尖銳針尖。
2. 激光檢測系統(tǒng)：系統(tǒng)的“眼睛”
一束激光被聚焦在懸臂的背面，并反射到一個(gè)四象限光電探測器上。當(dāng)探針與樣品相互作用導(dǎo)致懸臂彎曲或偏轉(zhuǎn)時(shí)，反射激光斑的位置會(huì)在探測器上發(fā)生移動(dòng)。這個(gè)微小的位移被探測器精確捕捉，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。
圖：激光通過懸臂反射到探測器，懸臂的微小偏轉(zhuǎn)會(huì)被放大為光斑的顯著位移。
3. 掃描系統(tǒng)：系統(tǒng)的“定位儀”
通常是一個(gè)壓電陶瓷掃描管。它能在電壓的控制下，進(jìn)行極其精密的移動(dòng)（精度可達(dá)埃量級(jí)，即0.1納米）。它既可以帶動(dòng)樣品在X、Y、Z三個(gè)方向上移動(dòng)，也可以帶動(dòng)探針移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品表面的精確掃描。
4. 反饋控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的“大腦”
該系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收來自探測器的信號(hào)，并與一個(gè)設(shè)定的參考值進(jìn)行比較。如果信號(hào)有偏差，反饋系統(tǒng)會(huì)立即調(diào)整掃描管在Z方向的伸縮，以保持探針與樣品之間的作用力恒定。這個(gè)調(diào)整的電壓值就對(duì)應(yīng)著樣品表面的高度信息。
圖：AFM各核心部件協(xié)同工作的示意圖
三、 工作原理：如何“觸摸”出表面形貌？
AFM常用的工作模式是 “接觸模式” 和 “輕敲模式”。
1. 接觸模式
探針的尖端與樣品表面直接“接觸”，并在表面滑動(dòng)。它們之間的作用力是原子間的排斥力。通過反饋系統(tǒng)保持這個(gè)排斥力恒定，探針就會(huì)隨著樣品表面的起伏而上下移動(dòng)。記錄下探針在Z方向的移動(dòng)軌跡，就得到了樣品表面的三維形貌圖。
優(yōu)點(diǎn)： 掃描速度快，分辨率高。
缺點(diǎn)： 對(duì)柔軟的樣品（如生物分子、聚合物）可能造成損傷或刮傷。
2. 輕敲模式（常用）
為了解決接觸模式對(duì)軟樣品的損傷問題，輕敲模式被發(fā)明出來。在這種模式下，懸臂被驅(qū)動(dòng)在其共振頻率附近高速振蕩，探針只是周期性地、“輕輕地”敲擊樣品表面。
當(dāng)探針掃描過凸起處時(shí)，振幅會(huì)減??；
當(dāng)探針掃描過凹陷處時(shí)，振幅會(huì)增大。
反饋系統(tǒng)通過保持這個(gè)振幅的恒定，來驅(qū)動(dòng)探針在Z方向上下移動(dòng)。同樣，Z方向的移動(dòng)軌跡就描繪出了表面的形貌。
優(yōu)點(diǎn)： 極大地減小了對(duì)樣品的側(cè)向力，適用于柔軟、粘稠或易損傷的樣品。
缺點(diǎn)： 掃描速度略慢于接觸模式。
（工作原理動(dòng)態(tài)示意圖）
圖：輕敲模式下，探針振蕩，振幅隨樣品表面起伏而變化，反饋系統(tǒng)據(jù)此調(diào)整高度。
四、 基本使用方法：從樣品到圖像
使用AFM進(jìn)行觀測通常遵循以下流程：
步驟1：樣品制備
根據(jù)樣品特性選擇合適的基底（如云母、硅片、玻璃等），并通過滴涂、旋涂、自組裝等方法將樣品固定在基底上。關(guān)鍵是要讓樣品牢固、平整地附著在基底上。
步驟2：探針選擇
根據(jù)樣品特性和測量模式（接觸、輕敲、非接觸等）選擇合適的探針。例如，觀測生物大分子通常需要非常柔軟、尖細(xì)的探針。
步驟3：儀器準(zhǔn)備與進(jìn)針
將樣品臺(tái)固定在掃描器上。
安裝探針。
通過電腦控制，讓探針逐步接近樣品表面，直到進(jìn)入工作區(qū)域（即能夠感受到相互作用的范圍）。這個(gè)過程通常由軟件自動(dòng)完成。
步驟4：參數(shù)設(shè)置與掃描
設(shè)定工作模式： 如輕敲模式。
設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)： 如設(shè)定點(diǎn)（振幅或力的值）、掃描速率、掃描范圍等。
開始掃描： 系統(tǒng)開始自動(dòng)運(yùn)行，探針在樣品表面進(jìn)行逐行掃描。
步驟5：圖像處理與分析
掃描得到的原始數(shù)據(jù)需要進(jìn)行平坦化處理，以消除樣品傾斜帶來的影響。之后，可以利用軟件進(jìn)行三維顯示、粗糙度分析、粒徑統(tǒng)計(jì)、截面高度測量等一系列分析。
（AFM三維形貌圖示例）
圖：一張典型的AFM三維形貌圖，清晰地顯示了納米顆粒的分布和高度。
五、 總結(jié)與應(yīng)用
原子力顯微鏡以其獨(dú)特的能力，已經(jīng)成為材料科學(xué)、生命科學(xué)、物理、化學(xué)等領(lǐng)域不可少的納米測量工具。它不僅讓我們“看見”了納米世界，更讓我們能夠“觸摸”和“測量”它。
從石墨烯的原子結(jié)構(gòu)、DNA雙螺旋的形貌，到高分子薄膜的表面粗糙度、細(xì)胞膜的力學(xué)性質(zhì)，AFM正在不斷地拓寬我們對(duì)微觀世界的認(rèn)知邊界，推動(dòng)著納米科技向前發(fā)展。
免責(zé)聲明： 本文為科普介紹，具體操作請(qǐng)遵循相關(guān)設(shè)備的使用手冊(cè)和專業(yè)指導(dǎo)。
免責(zé)聲明
- 凡本網(wǎng)注明“來源：化工儀器網(wǎng)”的所有作品，均為浙江興旺寶明通網(wǎng)絡(luò)有限公司-化工儀器網(wǎng)合法擁有版權(quán)或有權(quán)使用的作品，未經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載、摘編或利用其它方式使用上述作品。已經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)使用作品的，應(yīng)在授權(quán)范圍內(nèi)使用，并注明“來源：化工儀器網(wǎng)”。違反上述聲明者，本網(wǎng)將追究其相關(guān)法律責(zé)任。
- 本網(wǎng)轉(zhuǎn)載并注明自其他來源（非化工儀器網(wǎng)）的作品，目的在于傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)，不承擔(dān)此類作品侵權(quán)行為的直接責(zé)任及連帶責(zé)任。其他媒體、網(wǎng)站或個(gè)人從本網(wǎng)轉(zhuǎn)載時(shí)，必須保留本網(wǎng)注明的作品第一來源，并自負(fù)版權(quán)等法律責(zé)任。
- 如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)等問題，請(qǐng)?jiān)谧髌钒l(fā)表之日起一周內(nèi)與本網(wǎng)聯(lián)系，否則視為放棄相關(guān)權(quán)利。
采購中心