AFM原理及应用
AFM总结
AFM总结AFM（Atomic Force Microscopy，原子力显微镜）是一种高分辨率、非接触式的显微镜技术，用于研究材料表面形貌和性质。
它基于探针与样品表面之间的相互作用力，通过扫描样品表面并记录这些相互作用力的变化，从而实现对样品的显微观察。
原理AFM的工作原理基于一种称为扫描探针的微细尺寸探头。
探针通过微悬臂束附着在针座上，其尖端与样品表面相互作用。
当探针扫描在样品表面上时，探针的尖端会受到样品表面的相互作用力的影响，从而造成悬臂束的微小弯曲。
这种微小的弯曲被传感器检测到，并转化为电信号。
通过记录这些电信号的变化，我们可以确定样品表面的形貌和性质。
由于探针与样品表面之间的相互作用力的极小化，AFM是一种非接触式的显微镜技术，可以避免对样品的损伤。
主要应用AFM在物理学、生物学、化学和材料科学等领域中具有广泛的应用。
表面形貌研究AFM可用于研究材料的表面形貌，包括纳米级和亚纳米级的特征。
通过扫描样品表面并记录探针的位置变化，我们可以生成具有高空间分辨率的表面拓扑图像，进而分析材料的表面结构和形貌特征。
材料力学性质研究AFM还可用于研究材料的力学性质。
通过在AFM探针的尖端引入压力传感器，我们可以测量样品表面的力学响应。
通过在不同位置施加力并记录反馈响应，我们可以获得材料的力学性质，如弹性模量、硬度和粘度等。
生物分子研究AFM在生物学研究中也发挥着重要的作用。
它可以用于观察和测量生物分子，如蛋白质、DNA和细胞等。
通过准确控制扫描速度和力度，AFM可以提供有关生物分子尺寸、形状和相互作用力的信息。
这对于了解生物分子的结构和功能起着至关重要的作用。
纳米加工和纳米制造AFM还可用于纳米加工和纳米制造。
通过利用AFM探针的尖端作为纳米刻蚀工具，我们可以在样品表面上进行定向的纳米加工，并实现纳米级结构和器件的制备。
这种纳米加工技术在纳米电子学、纳米器件和纳米材料的研究与开发中具有重要意义。
优点和局限性AFM具有以下优点：•高空间分辨率：AFM具有亚纳米级别的空间分辨率，可以观察到细微的表面形貌特征。
AFM的原理及应用
3. 轻敲模式（Tapping Mode） 4. Interleave模式（Interleave Normal Mode/Lift Mode） 5. 力调制模式（Force Modulation Mode） 6. 力曲线模式（Force Curve Mode）
一般来说，如果针尖尖端的曲率半径远远 小于表面结构的尺寸，则针尖效应可以忽 略，针尖走过的轨迹基本上可以反映表面 结构的起伏变化小来获得 样品表面形貌信息的，所以微悬臂形变检 测技术至关重要。到目前为止，检测微悬 臂形变的方式主要有以下几种：
1）隧道电流检测法 2）电容检测法 3）光学检测法 4）压敏电阻检测法
特点：
对于一些与基底结合不牢固的样品，轻敲模式 与接触模式相比，很大程度地降低了针尖对表 面结构的“搬运效应”。
样品表面起伏较大的大型扫描比非接触式的更 有效。
间歇接触式（tapping mode）
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原子力显微镜的构成
在原子力显微镜的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检 测部分、反馈系统。
Atomic Force Microscopy 原子力显微镜（AFM）
目录：
AFM的发展历史 AFM的原理 AFM的分类 AFM机器的组成 影响AFM分辨率的因素 AFM技术应用举例 照片举例 AFM的缺点
高级显微镜
1938年，德国工程师Max Knoll和Ernst Ruska 制造出了世界上第一台透射电子显微镜（TEM）
位置检测部分： 在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针
尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂 （cantilever）摆动，所以当激光照射在 cantilever的末端时，其反射光的位置也会因 为cantilever摆动而有所改变，这就造成偏移 量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置 检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以 供控制器作信号处理。
afm手册
afm手册AFM手册：纳观世界的窗口在科学领域中，原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）被誉为“纳观世界的窗口”。
它的出现，使得我们能够直接观察和研究物质最基本的组成结构和性质。
本文将以AFM手册为主题，介绍它的基本原理、应用领域以及未来的发展趋势。
一、基本原理AFM是一种基于原子力感应的显微镜技术。
其工作原理基于一个简单而重要的概念：利用尖锐的探针扫描物体表面，通过感应原子间的相互作用力，获得表面拓扑结构和力学性质的信息。
与传统的光学显微镜不同，AFM可以实现纳米级甚至亚纳米级的分辨能力。
二、应用领域1. 材料科学：AFM广泛应用于材料科学领域，通过观察和测量材料的表面形貌、表面力学性质以及纳米尺度的力学行为，有助于了解材料的物理特性以及优化材料设计。
2. 生物科学：AFM对生物科学的贡献巨大。
它可用于观察生物大分子结构，如蛋白质和DNA，并研究细胞的表面形貌及其在环境变化下的力学性质。
这些研究有助于深入了解生物体的结构与功能，为疾病诊断和药物研发提供新的思路。
3. 纳米技术：AFM在纳米技术领域的应用广泛而深入。
它可用于观察和操作纳米级的结构和器件，如纳米线、纳米柱以及纳米颗粒。
这种纳米级别的操作能力为纳米电子学、纳米生物技术和纳米材料领域提供了巨大的潜力。
三、未来发展趋势1. 多模态集成：随着技术的进步，未来的AFM将越来越多地与其他显微镜技术进行集成，形成多模态显微镜。
这种集成将使得AFM能够同时获得物体的多种性质信息，提供更全面和准确的分析结果。
2. 高速成像：目前的AFM成像速度较慢，一般需要几分钟到几小时。
未来的发展将致力于提高成像速度，实现更快的数据采集和分析。
3. 纳米尺度操作：未来的AFM将进一步发展成为一种纳米级别的操作工具。
通过结合纳米机械系统和智能控制算法，实现对纳米级结构的准确操控和纳米级操作。
结语作为一种革命性的纳米技术，AFM手册成为了探索纳观世界的重要工具。
afm原理
AFM原理引言原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种应用于表面形貌测量的高分辨率显微镜技术。
它可以用来观察极小尺度下的表面结构和性质，对于纳米科学和纳米技术的研究具有重要意义。
本文将深入探讨AFM的工作原理、测量方法以及应用领域。
AFM的工作原理起源AFM的发展起源于1986年由IBM的Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明的扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy，STM）技术。
STM技术通过在样品表面和探针之间施加微弱的隧道电流来测量和调整距离，以此获得样品表面的形貌信息。
原理AFM在STM的基础上进行了改进，主要改变是探测方式。
AFM使用微小的力量来感知样品表面的形态。
1.悬臂梁探针：AFM使用一根极其细小、尖锐的探针，这通常由硅（Si）或碳纳米管制成。
悬臂梁探针由纳米尖端和可弯曲的弹性悬臂构成。
2.范德华力：当探针尖端非常靠近样品表面时，范德华力开始作用。
范德华力是由于探针尖端和样品表面之间的分子间相互作用导致的。
3.弹性变形：当范德华力作用在悬臂梁探针上时，会引起弹性变形。
悬臂梁的弹性变形程度与范德华力的大小成正比。
4.光束偏转：使用激光束照射到悬臂梁上，并通过探针尖端的反射，将激光束偏转，从而测量探针尖端的弹性变形。
5.反馈机制：AFM使用一个反馈机制来保持探针尖端与样品表面之间的恒定距离。
通过控制悬臂梁的弯曲，反馈机制将调整探针的位置，使探针尖端与样品表面保持恒定的力。
通过测量悬臂梁的弯曲来控制距离。
AFM的测量方法侵入式测量侵入式测量是最常用的AFM测量方法之一。
它通过探针尖端直接接触样品表面来测量其形貌和性质。
1.随机扫描：探针尖端沿着样品表面进行随机扫描，通过记录每个点的弯曲程度，从而获得样品的形貌信息。
2.刚体扫描：探针尖端连续接触样品表面，并以固定的速度进行扫描。
通过记录弹性变形的大小和位置，可以获得更加精确的形貌信息。
afm 原理
afm 原理AFM（Atomic Force Microscopy）原理是一种用于研究材料表面形貌和性质的非常重要的技术。
该技术在纳米尺度下可以提供高分辨率的表面形貌信息，并且具有非常广泛的应用领域，例如材料科学、生物医学和纳米科学等。
本文将介绍AFM原理的基本概念和工作原理。
AFM原理基于扫描探针显微镜的原理。
扫描探针显微镜是一种通过扫描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的显微镜。
AFM是扫描探针显微镜的一种常见形式，它通过探针与样品表面之间的力相互作用来测量样品表面形貌信息。
AFM的工作原理是通过在探针和样品表面之间施加力来测量样品表面的形貌。
探针一般是一个非常细小的尖端，可以通过压电效应或磁致伸缩效应进行控制。
当探针接近样品表面时，由于相互作用力的存在，探针会产生微小的弯曲。
通过测量探针的弯曲程度，可以获得样品表面形貌的信息。
AFM的探针通常是非常细小的尖端，其尖端直径一般在纳米尺度范围内。
探针可以通过扫描的方式在样品表面上移动，从而获取样品表面的形貌信息。
探针与样品表面之间的相互作用力可以通过不同的方式进行测量，例如通过测量探针的弯曲程度、探针的振动频率变化或者是探针与样品之间的电磁力等。
AFM可以提供高分辨率的表面形貌信息，其分辨率可以达到亚纳米甚至是原子级别。
这使得AFM成为研究纳米材料和生物分子等的理想工具。
在材料科学中，研究人员可以利用AFM来研究材料的形貌、表面粗糙度和力学性质等。
在生物医学领域，AFM可以用于研究生物分子的结构和功能，例如蛋白质、DNA等。
在纳米科学中，AFM可以用于制备纳米结构和纳米器件，并对其进行表征和测量。
总结起来，AFM原理是一种通过测量探针和样品表面之间的力相互作用来获取样品表面形貌信息的技术。
它具有高分辨率、广泛的应用领域和丰富的表征功能。
通过AFM，研究人员可以深入了解材料的表面形貌和性质，从而为材料科学、生物医学和纳米科学等领域的研究提供重要的支持。
afm的原理及应用
AFM的原理及应用1. 原理介绍原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种高分辨率的表面显微镜，它利用探针与样品表面之间的相互作用力来获取表面的形貌和力学性质。
AFM基于扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy，SPM）的原理，通过在纳米尺度上运动和感测探针与样品之间的相对运动，实现对样品表面的观测和测量。
AFM的工作原理可简述为：在AFM扫描过程中，探针通常由细尖部分和弹性探针杆组成。
通过控制探针与样品之间的相互作用力，从而感知探针的纵向位移，并进一步确定样品表面的形状特征。
AFM的三个基本测量模式包括接触模式、非接触模式和静电模式。
在接触模式下，探针与样品表面保持接触；在非接触模式下，探针与样品之间保持较小的相互作用力；而在静电模式下，探针通过测量静电相互作用力来获取样品表面信息。
2. 应用领域2.1 表面形貌观测AFM是一种非常有用的工具，可用于观察样品表面的形貌。
由于AFM的高分辨率和高灵敏度，它可以显示出样品表面的纳米级别的细微结构。
因此，在材料科学、纳米技术等领域，AFM被广泛应用于表面形貌的观测和分析。
2.2 力学性质测量AFM可测量样品表面的力学性质，如硬度、弹性模量等。
通过在探针尖端施加力量，AFM可以获得相应的力变形曲线，从而计算出样品的力学性质。
这种力变形曲线可以用来研究纳米材料的力学行为，对于材料本质的研究具有重要意义。
2.3 生物分子观测由于AFM可以在液体环境中工作，它在生物领域也得到广泛应用。
AFM可以用于观测生物分子的结构和形态，并研究其相互作用力。
这对于生物学研究和生物医学领域的应用有着重要意义，例如蛋白质的形状和功能研究、生物体表面的结构观察等。
2.4 电子学器件研究对于电子学器件的研究，AFM可以提供非常有价值的信息。
例如，在集成电路领域，使用AFM可以观测杂质、缺陷和界面的形态和特征，从而帮助改进电子器件的制造工艺和性能。
原子力显微镜的技术原理及运用
原子力显微镜的技术原理及运用原子力显微镜（AFM）是利用扫描探针对样品表面进行扫描和探测的一种高分辨率的显微镜。
其分辨率可以达到纳米级别，因此被广泛应用于表面形貌、力学性质、磁性质和电性质的研究。
本文将详细介绍AFM的技术原理和运用。
一、技术原理AFM的探针是由弹性力常数极高的硅制成的，探针端面有一个纳米级的监测针头。
在扫描的过程中，探针在样品表面扫过，针尖的与样品之间的相互作用力会引起探针振动，从而可以探测到样品表面的形貌和性质。
AFM可以实时反馈探针与样品之间的相互作用力，在扫描过程中反馈控制该力，以维持探针与样品之间的接触力相等，因此可以获得样品表面的形态图像。
AFM的扫描分为接触模式和非接触模式。
接触模式是探针与样品之间保持接触状态下进行的扫描，此时探针与样品相互作用的力包含弹性力、粘附力和表面张力等多种力量；而非接触模式是探针与样品之间不保持接触状态下进行的扫描，此时探针与样品之间的相互作用力主要包括范德华力和静电吸引力等。
非接触模式的分辨率更高，但接触模式对于表面粗糙度较大的样品更加适用。
二、运用领域1. 表面形貌研究AFM可以用于表面形貌研究，对于材料的微观结构和形态特征进行分析和研究。
通过对样品表面形貌的扫描和观察，可以获得微观结构的信息，如表面形态、颗粒尺寸、表面缺陷、薄膜厚度等。
2. 表面力学性质研究AFM可以测量样品的弹性模量、硬度和黏性等力学性质，通过观察扫描数据，可以对不同结构材料的力学性质进行研究。
3. 表面磁性质研究AFM可以测量样品表面的磁力学性质，如磁滞回线、磁域结构、磁畴壁等。
通过对样品进行磁化，再通过AFM实时观测其磁性变化，并测量样品的磁场分布等参数，可以对材料表面的磁性进行研究。
4. 表面电学性质研究AFM可以测量样品表面的电学性质，如电荷分布、电势分布等。
通过把AFM的探针改为电极，可以进行电学物性和电化学反应的研究。
三、未来发展目前，AFM已被广泛应用于物理学、材料科学、生物医药等领域，但是仍然存在一些问题，如成像效率、分辨率和可靠性等方面的不足。
AFM原理及应用
AFM基本原理
探针与样品表面之间作用力与距离有 关如右图，当两者靠得很近时，原子 之间电子云斥力大于原子核与电子云 之间的吸引力，此时合力表现为斥力， 反之表现为吸引作用。
AFM设备介绍
• AFM（原子力显微镜）的硬件 结构主要包括力检测系统、位置 检测部分和反馈系统。
AFM设备介绍
• 力检测系统：
实验方法
• 非接触式（non-contact） • 为了解决接触式之AFM 可能破坏样品的缺点，便有非接触式之AFM
被发展出来，这是利用原子间的长距离吸引力来运作，由于探针和 样品没有接触，因此样品没有被破坏的问题，不过此力对距离的变 化非常小，所以必须使用调变技术来增加讯号对噪声比。在空气中 由于样品表面水模的影响，其分辨率一般只有50nm，而在超高真空 中可得原子分辨率。
AFM基本原理
• AFM是由G.Binning（IBM苏黎士研究实验室）在STM的基础上于1986年发 明的表面观测仪器。AFM与STM相比，能观测非导电样品。
AFM基本原理
二、工作基本原理 • 当原子间距离减小到一定程度以后，原子间的作用力将迅速上升。
因此，由显微探针受力的大小就可以直接换算出样品表面的高度， 从而获得样品表面形貌的信息。 • 将一个对微弱力极其敏感的微悬臂一端固定，另一端有一个微小的 针尖，当针尖在样品表面扫描时，探针-样品表面间存在极微弱的排 斥力，引起微悬臂的变形；激光经微悬臂的背面反射到光电检测器 ，可以精确测量微悬臂的微小变形，这样就实现了通过检测样品与 探针之间的原子排斥力来反映样品表面形貌和其他表面形貌。
附液层必须薄
消除了横向力的影响， 比Contact Mode 降低了由吸附液层引 AFM的扫面速度慢 起的力，图像分辨率 高，适于观测软、易 碎或胶粘性样品，不
AFM原理及应用
AFM的缺点
受样品因素限制较大（不可避免） 针尖易磨钝或受污染（磨损无法修复；污染清洗困难） 针尖—样品间作用力较小 近场测量干扰问题 扫描速率低 针尖的放大效应
老化的细胞膜表面蛋白质聚集； 糖尿病患者细胞是错误折叠的蛋白聚集。
图2. (C, G and K) surface ultrastructures on corresponding cells in images A, E and I; (D, H and L) Histograms of the particle size extracted from images C, G and K. Hua Jin, Xiaobo Xing, et.al.Biochemical and Biophysical Research Communications,2010 (391 ), 1698–1702
形貌图：暗=凹陷；明=突出； 相位图：暗=橡胶相；明=iPP（可评估橡胶颗粒尺寸及其分布）
Rameshwar Adhikari . J. Nepal Chem. Soc., 2012(29), 96-103
小结-AFM的应用
AFM可以在大气、真空、低温和高温、不同气氛以及溶液 等各种环境下工作，且不受样品导电性质的限制，因此已 获得比STM更为广泛的应用。主要用途： 1. 导体、半导体和绝缘体表面的高分辨成像 2. 生物样品、有机膜的高分辨成像 3. 表面化学反应研究 4. 纳米加工与操纵 5. 超高密度信息存储 6. 分子间力和表面力研究 7. 摩擦学及各种力学研究 8. 在线检测和质量控制
原子力显微镜
Atomic Force Microscope
报告人：史亚兰 学号：201320103011 指导老师：王新平教授
AFM的应用和原理
AFM的应用和原理简介原子力显微镜 (Atomic Force Microscopy, AFM) 是一种高分辨率、非接触式的成像技术。
它可以在原子尺度上对样品表面进行三维成像和测量，从而揭示了物质性质的微观结构和表面拓扑。
AFM广泛应用于材料科学、纳米技术、生物医学等领域。
本文将介绍AFM的原理和应用。
原理AFM的工作原理基于力和位移的测量。
AFM探针（也称为扫描探针）通过在样品表面的扫描，利用通过探针和样品表面之间的相互作用所引起的力的变化来获取样品表面的拓扑和性质。
AFM探针可以是硬尖、软尖或者化学修饰的尖端等形式。
应用表面形貌观察AFM可以提供非常高分辨率的表面形貌观察，能够直观地显示样品的拓扑结构。
这对于材料科学领域的表面形貌分析非常重要。
AFM可以用于观察材料的表面粗糙度、磨损程度、晶体结构等。
此外，AFM可以观察到微观结构和纳米结构，对于研究纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜的形貌和尺寸分布具有重要意义。
力-位移曲线测量AFM还可以通过测量特定的力-位移曲线来研究样品的力学性质。
利用AFM探针的弹性常数和样品与探针之间的相互作用来测量样品的刚度、弹性模量等力学属性。
表面电荷测量由于AFM可以测量力和位移，因此它可以被用于研究表面电荷或电势。
通过将AFM探针与样品表面接触，可以测量样品表面的电势分布，从而获得表面电荷情况的相关信息。
这项技术在材料科学、生物医学等领域有着重要的应用。
生物领域的应用在生物领域，AFM被广泛应用于观察和研究生物材料的拓扑结构、形态变化和力学特性。
AFM在生物领域的应用包括细胞成像、蛋白质分子结构的解析、生物分子的相互作用等。
通过使用不同类型的探针，例如硬尖、软尖或化学修饰的尖端，可以实现不同的生物样品检测。
结论AFM是一种重要的纳米尺度的成像和测量技术，具有高分辨率、非接触和多功能等优点。
其应用广泛，涉及到材料科学、纳米技术、生物医学等领域。
通过对AFM的原理和应用的了解，我们可以更好地理解其在科学研究和工业生产中的重要性和潜力。
afm原理
afm原理
AFM(Atomic Force Microscopy，原子力显微镜)是一种高分辨
率的成像技术，可以在纳米尺度下观察样品表面的形貌、力学性质和表面电荷分布。
其基本工作原理是通过纳米尺度的探针与样品表面之间相互作用，获得样品表面的形貌信息。
在AFM中，探针通常由一根弹性的探针尖端构成，使用弹性
振幅调制技术进行操作。
探针与样品表面之间的相互作用力可以通过探针的振幅变化来测量。
当探针与样品表面相互作用时，在探针尖端位置上会产生微小的变形，该变形可通过激光或电信号检测到。
AFM的工作原理基于弹性力与探测力之间的相互作用。
探测
力可以通过探针的振幅变化来测量，从而获得样品表面的拓扑信息。
当探针尖端与样品表面的相互作用力增加时，探针的振幅呈现减小的趋势。
相反，当相互作用力减弱时，探针的振幅呈现增加的趋势。
通过测量这些振幅变化，可以生成样品表面的拓扑图像。
除了形貌信息，AFM还可以测量样品表面力学性质。
通过测
量探针在样品表面的弹性变形，可以推断样品的硬度、弹性模量等力学性质。
此外，AFM还可用于测量样品表面的电荷分布，通过将探针
调制成了一种电容器，利用样品表面和探针之间的物理电容效应来测量样品表面的电荷状态。
通过这种方式，可以获得样品表面的电荷分布图像。
总的来说，AFM利用探针与样品表面之间的相互作用来获取样品表面的形貌、力学性质和电荷分布等信息。
这种显微技术广泛应用于物理学、化学、材料科学等各个领域的研究中，为研究微观结构和性质提供了一种强大的工具。
afm的原理
afm的原理AFM的原理。
原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种利用原子尖端探测样品表面形貌和性质的高分辨率显微镜。
它是20世纪80年代发展起来的一种新型显微镜，具有高分辨率、三维成像和能够在液体环境下工作等特点，被广泛应用于纳米科学和纳米技术领域。
AFM的工作原理是基于原子尖端与样品表面之间的相互作用力。
在AFM中，原子尖端通过弹簧片与悬臂相连接，悬臂另一端与激光光束相连接，激光光束会被反射到光敏探测器上。
当原子尖端接近样品表面时，原子尖端与样品表面之间的相互作用力会导致悬臂的振动发生变化，进而引起激光光束的偏转，最终被光敏探测器检测到。
通过对悬臂振动的变化进行测量和分析，可以得到样品表面的形貌和性质信息。
AFM可以实现对样品表面的原子级分辨率成像。
由于原子尖端与样品表面之间的相互作用力非常小，因此可以在不破坏样品表面的情况下进行高分辨率成像。
此外，AFM还可以在不同环境条件下进行工作，包括空气、液体甚至真空环境，使其在生物学、材料科学等领域中得到广泛应用。
除了成像外，AFM还可以用于测量样品表面的力学性质。
通过对悬臂振动的变化进行分析，可以得到样品表面的硬度、弹性模量等力学性质信息。
这使得AFM不仅可以对样品表面的形貌进行成像，还可以对其力学性质进行表征，为纳米材料的研究和应用提供了重要的手段。
总的来说，AFM作为一种高分辨率、多功能的显微镜，具有独特的优势和广泛的应用前景。
它的工作原理基于原子尖端与样品表面之间的相互作用力，通过对悬臂振动的变化进行测量和分析，可以实现对样品表面的高分辨率成像和力学性质表征。
这使得AFM成为纳米科学和纳米技术领域中不可或缺的工具，为人们深入研究纳米世界提供了重要的手段。
afm的操作原理应用
AFM的操作原理应用1. 什么是AFM？AFM（Atomic Force Microscopy，原子力显微镜）是一种高分辨率、非接触的显微镜技术，用于观察微观尺度下的表面形貌和力交互作用。
其操作原理基于扫描探针在样品表面上的运动，通过测量探针和样品之间的相互作用力来获取表面形貌信息。
2. AFM的操作原理AFM的操作原理主要包括以下几个方面：2.1 探针和样品之间的相互作用力AFM利用探针和样品之间的相互作用力来获取表面形貌信息。
探针通常是一根极细的尖端，通过弹簧的方式固定在探针臂上，并且可以通过微米级别的位移来控制探针与样品的距离。
当探针离开样品时，无论是吸引力作用力还是排斥力作用力都被忽略。
当探针接近样品表面时，探针和样品之间产生相互作用力，具体包括吸引力、排斥力以及分子键作用力等。
2.2 探针的微米级别位移和偏斜检测AFM的探针通常是通过一套压电陶瓷进行微米级别的位移和偏斜检测。
压电陶瓷的位移是通过施加电压实现的，可以控制探针与样品之间的距离以及探针在垂直和水平方向上的偏斜。
2.3 探针的扫描运动AFM的操作是通过控制探针在样品表面上的运动来获取表面形貌信息。
探针的扫描运动通常采用扫描控制系统来实现，通过激光光束的反射来监测探针的位置，并通过反馈控制系统对探针的位置进行调整。
2.4 图像生成和数据处理AFM的操作原理中，图像的生成通常是通过探针在样品表面上的扫描运动来实现的。
扫描过程中，探针记录了不同位置的相互作用力信息，通过将这些数据进行处理和分析，可以生成高分辨率的表面形貌图像。
3. AFM的应用AFM作为一种高分辨率的显微镜技术，具有广泛的应用领域，包括但不限于以下几个方面：3.1 表面形貌分析AFM可以提供高分辨率的表面形貌信息，在材料科学、纳米技术等领域中得到广泛应用。
通过观察表面形貌的变化，可以研究纳米尺度下的材料特性以及表面结构的固态变化机制。
3.2 生物力学研究AFM可以应用于生物学研究中，通过测量生物样品表面的力交互作用力来研究细胞、细胞器和生物大分子等的力学特性。
原子力显微镜(AFM)原理及应用讲解
1985年，IBM公司的Binning 和Stanford大学的Quate研发 出了原子力显微镜（AFM）， 弥补了STM的不足，可以用 来测量任何样品（无论导电 性与否）的表面。
2
AFM的结构简图
AFM针尖
AFM利用一个对微弱力极敏感的、在其一端带有一微小针尖的微悬臂，来代替STM 隧道针尖，通过探测针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的（右上图）。
AFM介绍
讲解人：xxx
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AFM起源：
什么是AFM？
AFM全称Atomic Force Microscope，即原子力显微镜，它是继扫描隧 道显微镜（Scanning Tunneling Microscope）之后发明的一种具有原子级高分 辨的新型仪器，可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物 理性质包括形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵。
原子力显微镜就是利用原子之间微妙的关系 来把原子样子给呈现出来。
4 AFM的工作过程
5 AFM的硬件结构
• 力检测系统
在AFM的系统中，所要检测的力是原子与原子之间的 范德华力。所以在本系统中是使用微小悬臂来检测原 子之间力的变化量。这微小悬臂有一定的规格，例如 ：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规 格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同， 而选择不同类型的探针。
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AFM工作原理
原理：
AFM是在STM的基础上发展起来的。 所不同的是，它不是利用电子隧道效应，而 是利用原子之间的范德华力（Van Der Waals Force）作用来呈现样品的表面特性。 假设两个原子一个是在悬臂的探针尖 端，另一个是在样本的表面，它们之间的作 用力会随距离的改变而变化，其作用力与距 离的关系如右图所示，当原子与原子很接近 时，彼此电子云斥力的作用大于原子核与电 子云之间的吸引力作用，所以整个合力表现 为斥力的作用，反之若两原子分开有一定距 离时，其电子云斥力的作用小于彼此原子核 与电子云之间的吸引力作用，故整个合力表 现为引力的作用。
afm工作原理
afm工作原理
AFM（Atomic Force Microscopy）是一种扫描探针显微技术，用于研究材料表面的形貌和力学性质。
它的工作原理基于测量微小力量对探针的作用，从而提供高分辨率的表面拓扑图像。
AFM利用微型探针（尖端具有纳米或亚纳米尺寸）来探测材料表面的特征。
探针通过压电驱动器和弹簧控制的力传感器相连。
整个系统由精确的位移控制器、激光扫描干涉仪和探针驱动器组成。
在运行AFM时，探针在被测样品的表面上移动，并受到样品表面结构造成的相互作用力的影响。
这种相互作用力可以是范德华力、电磁力、化学键力等。
探针的垂直位移受到力的变化而发生变化。
激光扫描干涉仪用于检测探针的垂直位移。
当探针受到样品表面力的影响时，其垂直位移发生改变，激光扫描干涉仪会测量到干涉信号的强度变化。
位移控制器根据这些信号调整探针的高度，以保持探针与样品表面的恒定力。
位移控制器的操作使探针在样品表面上移动，形成一个扫描图像。
通过测量激光的干涉信号和控制探针的高度，可以获取到样品表面的拓扑信息。
AFM具有非常高的分辨率，可以达到亚纳米级别的表面形貌分辨率。
除了表面拓扑图像，AFM还可以用于测量样品的力学性质。
通过探针对样品施加力，并测量探针位移和样品响应力之间的
关系，可以得到样品的力学特性，例如弹性模量、硬度等。
AFM的工作原理简单而灵活，使其成为研究纳米级材料性质和表面纳米结构的重要工具。
它在生物学、材料科学和纳米技术等领域的应用非常广泛。
原子力显微镜工作原理
原子力显微镜工作原理
原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种基于
原子力相互作用的显微技术，可以对样品表面进行高分辨率的观察和测量。
它采用了原子尖端探头（probe）与样品表面之
间的相互作用力，通过测量探头的运动来获取样品表面的拓扑信息。
AFM工作原理如下：
1. 探头与样品接近：AFM探头通常是由硅或者金属制成的细
小尖端，通过纳米级的探头扫描系统与样品表面接近。
2. 测量力的变化：当探头接近样品表面时，离子力和排斥力等作用力会发生变化，导致探头受到力的作用而发生微小的弯曲。
AFM通过测量探头发生的变化来分析样品表面的拓扑特征。
3. 探头运动的感测：AFM使用悬臂梁（Cantilever）作为探头
的支撑杆，悬臂梁上有微小的刻线成像探头，可以感知悬臂梁的振动和弯曲。
悬臂梁通过光束偏转仪或者干涉仪等方式来测量探头的运动。
4. 构建图像：通过移动探头进行扫描，记录不同位置的悬臂梁运动，进而得到样品表面的拓扑图像。
刻线探头的位置变化可以被转换成电信号，然后通过计算机进行数字化处理和图像生成。
AFM具有高分辨率、非破坏性、样品适应性广及可对生物分
子进行观测等优点，在生物学、材料科学、纳米科学等领域有着广泛的应用。
原子力显微镜的工作原理与应用
原子力显微镜的工作原理与应用引言：原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种高分辨率的显微镜，可以用于观察和测量物质表面的原子和分子结构。
它的工作原理基于原子之间的相互作用力，通过探针与样品表面的相互作用来获取样品表面的形貌和力学性质。
本文将介绍原子力显微镜的工作原理和一些应用领域。
一、工作原理原子力显微镜的工作原理基于原子之间的相互作用力，主要包括静电力、范德华力、电磁力和弹性力等。
它通过在探针尖端附近施加一个微小的力，使探针与样品表面的相互作用达到平衡，从而可以测量样品表面的形貌和力学性质。
原子力显微镜的探针是由一根非常细的弹性杆和一个微小的探针尖端组成。
当探针尖端接触到样品表面时，原子之间的相互作用力会使探针产生微小的弯曲。
通过测量探针的弯曲程度，可以得到样品表面的形貌信息。
二、应用领域原子力显微镜在各个领域都有广泛的应用，下面介绍几个常见的应用领域。
1. 材料科学原子力显微镜可以用于材料的表面形貌和结构的研究。
通过观察材料表面的原子和分子结构，可以了解材料的晶体结构、晶格缺陷以及表面的化学反应等信息。
这对于材料的设计和改进具有重要意义。
2. 生物科学原子力显微镜在生物科学领域也有广泛的应用。
它可以观察生物分子、细胞和组织的形貌和结构，揭示生物分子之间的相互作用和生物体的功能机制。
例如，原子力显微镜可以用于观察蛋白质的折叠过程、细胞膜的结构和细胞器的分布等。
3. 纳米技术原子力显微镜在纳米技术领域有着重要的应用。
它可以用于纳米材料的制备和表征。
通过观察纳米材料的形貌和结构，可以了解纳米材料的尺寸、形状和分布等信息。
这对于纳米材料的性能研究和应用具有重要意义。
4. 表面科学原子力显微镜在表面科学领域也有广泛的应用。
它可以用于观察表面的形貌和结构，研究表面的物理和化学性质。
例如，原子力显微镜可以用于观察金属表面的腐蚀过程、材料表面的摩擦和磨损等。
结论：原子力显微镜是一种重要的高分辨率显微镜，可以用于观察和测量物质表面的原子和分子结构。
原子力显微镜的工作原理及应用
原子力显微镜的工作原理及应用原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）是一种扫描探针显微镜，主要通过测量探针与被测物质表面之间的相互作用力来实现对原子和分子级别的表面形貌和物理特性的表征和观测。
它以高分辨率、高灵敏度、高可重复性等优点，在材料科学、生物学、化学等领域得到极为广泛的应用。
1、工作原理原子力显微镜的探针是由尖锐锥形针尖制成，针尖的下端通常只有几个纳米的尺寸。
扫描时，针尖以缓慢的速度（通常为几纳米/秒）在被测样品表面上扫描，此时接收器将记录扫描得到的信号。
通过处理接收器记录下的信号，可以获得样品表面的横截面拓扑图，以及其在物理参数（例如硬度、电荷密度）方面的评价。
该显微镜的探针又是由悬挂在弹簧上的支撑杆和针尖组成的。
在扫描过程中，支撑杆按一定的频率震动，这种震动被称为谐振频率。
在接近被测样品表面时，原子力开始影响到探针的谐振频率，导致探针振动的振幅发生变化。
相应的，成像时通过记录探针振幅的变化程度，可以获得针尖与样品之间的交互力信号，并绘制样品表面的拓扑图。
2、应用原子力显微镜是一种非常强大的工具，可以被应用于很多领域。
以下是一些常用的应用：（1）材料科学原子力显微镜可以被用于材料表面的研究。
例如，它可以测量表面的粘度和硬度，帮助优化涂层、摩擦材料和润滑剂等产品的性能。
此外，它还可以被用于纳米材料的制备和探究，例如研究分子自组装、生物分子组装等过程。
（2）生物领域原子力显微镜可以被用于生物分子的研究，例如单分子的检测、纳米颗粒的表面形貌分析、蛋白质空间结构的绘制等。
此外，它还可以用于研究生物分子的交互作用、诊断疾病和制备分子电子学和生物电子学的材料。
（3）化学领域原子力显微镜可以被用于化学品的检测和表征。
它可以帮助测量材料的电荷密度、催化剂的活性和分子间的相互作用效率。
此外，它还可以用于绘制分子形貌和分析反应进程及反应物的表面活性。
总之，原子力显微镜作为一种非常强大的显微镜，具有大量的优点和应用，帮助解决许多学科的问题。
afm的工作原理
原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）的工作原理1. 引言原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种高分辨率的扫描探针显微镜，用于观察样品表面的形貌和物理性质。
与光学显微镜不同，AFM不使用光线或电子束来形成图像，而是使用非接触式的原子力探测器来感测样品表面的拓扑结构。
AFM在纳米尺度下具有极高的分辨率和灵敏度，因此在纳米科学和纳米技术领域有广泛的应用。
2. 原子力显微镜的构成原子力显微镜由扫描单元、探针、探针臂、探针驱动和反馈系统等组件组成。
其中，探针是AFM的关键部件，用于感测样品表面的力信号。
3. 探针和探针臂探针是一个纳米尺度的尖端，通常由硅或硅化玻璃制成，具有非常尖锐的针尖。
探针安装在探针臂的末端，通过探针臂连接到扫描单元。
探针臂通常由弹性材料制成，如硅衬底上的硅悬臂或石英悬臂。
4. AFM的工作原理AFM的工作原理基于原子力的非接触式探测。
当探针靠近样品表面时，探针和表面之间会产生范德华力、吸附力、弹性力等作用力，这些作用力可以用来探测样品表面的物理性质。
AFM通过控制探针臂的位置，使探针与样品表面之间的距离保持在纳米尺度。
此时，探针的尖端靠近样品表面的原子层，并与之产生作用力。
这些作用力会改变探针臂的振动频率或振幅，进而被探测器感测到。
AFM使用一个反馈系统来保持探针和样品之间的恒定距离。
当探针与样品表面的距离发生变化时，反馈系统会根据探测器的信号调整探针的位置，使距离保持不变。
通过记录探针的位置调整信息，可以得到样品表面的拓扑结构。
5. 探针和样品交互力的测量AFM利用探测器来感测探针和样品之间的作用力，常用的探测器包括压电陶瓷、光纤光栅等。
在接触式AFM中，探针通常与样品直接接触，测量力信号的变化。
而在非接触式AFM中，探针以纳米级别的高频振动与样品表面交互，通过测量振幅、频率的变化来获得力信号。
6. AFM的工作模式AFM有多种工作模式，常见的包括接触式、非接触式、谐波和磁力显微镜模式等。
AFM的原理及应用
5. 超高密度信息存储 6. 分子间力和表面力研究 7 摩擦学及各种力学研究 8 Байду номын сангаас线检测和质量控制
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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合适的作用力。
原子力显微镜（AFM）便是结合以上三个部分来将 样品的表面特性呈现出来的：在原子力显微镜 （AFM）的系统中，使用微小悬臂（cantilever） 来感测针尖与样品之间的交互作用，测得作用力。 这作用力会使cantilever摆动，再利用激光将光照 射在cantilever的末端，当摆动形成时，会使反射 光的位置改变而造成偏移量，此时激光检测器会记 录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利 于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性以 影像的方式给呈现出来。
AFM针尖放大效应
AFM是依靠尖端曲率半径很小的微悬臂针尖接触在 表面上进行成像，所得到的图像是针尖与样品真实 形貌卷积后的结果。如图所示，实线代表样品的真
实形貌，虚线就是针 尖扫描所得到的表观 图像。二者之间的差 别在于针尖与样品真 实接触点和表观接触 点随针尖移动的函数 变化关系。
针尖效应不仅会将小的结构放大，而且还 会造成成像的不真实，特别是在比较陡峭 的突起和沟槽处。
2. 非接触模式（Non-Contact Mode）：作用力在引力范 围，包括范德华力、静电力或磁力等。
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Atomic Force Microscope
品质管理部信赖性管理科 分析解析室 顾方晗
目
录
显微镜的发展史 原子力显微镜的原理 结构 ຫໍສະໝຸດ 作模式 应用显微镜的发展历史
光学显微镜
透射电子显微镜
扫描电子显微镜
原子力显微镜
扫描隧道显微镜
光学显微镜
16世纪末，荷兰的眼镜商Zaccharias Janssen, 第一台复合式显微镜，倍数太低
STM针尖移动原子形成的图形文字
激光检测AFM基本原理图 检 测 激 光 光 斑 位 置 的 光 电 二 极 管
AFM的硬件结构
力检测系统
在AFM的系统中，所要检测的力是原子与原子之间 的范德华力。所以在本系统中是使用微小悬臂来检测 原子之间力的变化量。这微小悬臂有一定的规格，例 如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些 规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同， 而选择不同类型的探针。
AFM探针的针尖
隧道电流法：
是基于STM原理实现的。可将微悬梁看 成样品，在微悬梁上还有一微小探针接触。 微悬梁和探针间施、加一偏置电压，他们之 间便产生了隧道电流。当微悬梁因为和样品 间的原子间力的作用而位置发生改变，那么 他和探针之间的位置也发生相应的变化，导 致隧道电流发生指数级的变化，那么测量原 理就变成了STM的测量原理了。
激光检测法
二极管激光器发出的激光束经过光学系统 聚焦在微悬臂背面，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。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。目前的AFM都是采用这种检测模式。
AFM便是结合以上三个部分来将样品的表面特性呈现出来的：在AFM的系统中，使用微小悬臂来感测针尖与样 品之间的交互作用，这作用力会使微悬梁摆动，再利用激光将光照射在微悬梁的末端，当摆动形成时，会使反射光 的位置改变而造成偏移量，此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的 调整，最后再将样品的表面特性以影像的方式给呈现出来。
AFM的几种工作模式
接触模式： 微悬臂探针紧压样品表面，检测时与样 品保持接触，作用力（斥力）通过微悬臂的 变形进行测量。 该模式下，针尖与样品表面相接触，分 辨率高，但成像时针尖对样品的作用力较大， 适合表面结构稳定的样品。 轻敲模式：
用处于共振状态、上下振荡的微悬臂探针对样品 表面进行扫描，样品表面起伏使微悬臂探针的振幅产 生相应变化，从而得到样品的表面形貌。 该模式下，扫描成像时针尖对样品进行“敲击”， 两者间只有瞬间接触，能有效克服接触模式下因针尖 的作用力，尤其是横向力引起的样品损伤，适合于柔 软或吸附样品的检测。
STM的结构与工作过程
压电管控制电压 带电极的压电管（根据隧道 电流的的大小随时调整针尖 和样品的距离，以保持隧道 电流的恒定）
距离控制和扫 描单元
隧道电流放大 器
隧道电压（用以产 生隧道效应）
数据处理及显示
AFM的基本原理
AFM是在STM的基础上发展起来的。所不同 的是，它不是利用电子隧道效应，而是利用 原子之间的范德华力（Van Der Waals Force） 作用来呈现样品的表面特性。 假设两个原子中，一个是在悬臂的探针尖端， 另一个是在样本的表面，它们之间的作用力 会随距离的改变而变化，其作用力与距离的 关系如右图所示，当原子与原子很接近时， 彼此电子云斥力的作用大于原子核与电子云 之间的吸引力作用，所以整个合力表现为斥 力的作用，反之若两原子分开有一定距离时， 其电子云斥力的作用小于彼此原子核与电子 云之间的吸引力作用，故整个合力表现为引 力的作用。若以能量的角度来看，这种原子 与原子之间的距离与彼此之间能量的大小也 可从Lennard –Jones的公式中到另一种印证。 从公式中知道，当 r 降低到某一程度时其能 量为+E，也代表了在空间中两个原子是相当 接近且能量为正值，若假设 r 增加到某一程 度时，其能量就会为-E同时也说明了空间中 两个原子之间距离相当远的且能量为负值。 不管从空间上去看两个原子之间的距离与其 所导致的吸引力和斥力或是从当中能量的关 系来看，原子力显微镜就是利用原子之间微 妙的关系来把原子样子给呈现出来。
位置检测部分：
在AFM的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用 之后，会使得悬臂摆动，所以当激光照射在悬臂的末 端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变， 这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光 斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以 供SPM控制器作信号处理。
反馈系统：
在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合适的作 用力。
AFM的应用
小尺寸样品的观察：
适用于观察原子级样品，DNA分子等，在纳米材料科学、分子生物学、仿 生学等研究领域有广泛研究。
原子力显微镜对金的观测
烟草花叶病毒扫描图
沉积于云母片上的抗体分子的 AFM成像
纳米加工：
利用AFM可以对样品进行表面原子搬运，原子蚀刻，从而制造纳米器件。
用AFM针尖移动Si原子形成的IBM文字
隧道效应
经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不 能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡 很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就 停住，然后退回去。 量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分 粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好像有一个隧道，故名隧道效应。就像 在山坡上开一隧道，自行车从中穿过一样。可见，宏观上的确定性在微观上 往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观 效应，因为隧穿几率极小，但在某些特丁的条件下宏观的隧道效应也会出现。
STM就是根据这种效应制成的。当针尖和样品面间距足够小时（<0.4nm）， 在针尖和样品间施加一偏置电压，便会产生隧道效应，电子会穿过势垒，在 针尖和样品间流动，形成隧道电流。在相同的偏置电压下，电流强度对针尖 和样品间的距离十分敏感，隧道电流随间距呈指数变化，样品表面的形貌影 响着隧道电流的剧烈变化，这种电流变化有计算机进行处理就可以的到样品 表面的形貌了。
透射电子显微镜（TEM）
1938年，德国工程师
Max Knoll和Ernst Ruska 制造出了世界上第一台透 射电子显微镜（TEM）。
扫描电子显微镜（SEM）
1952年，英国工程师 Charles Oatley制造 出了第一台扫描电子 显微镜（SEM）。
扫描隧道显微镜（STM）
1983年，IBM公司苏黎世实 验室的两位科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer 发明了扫描隧道显微镜 （STM）。 STM的原理是电子的“隧道 效应”，所以只能测导体 和部分半导体。
σ：原子的直径
r ： 原子之间的距离
AFM工作过程
原子力显微镜的基本原理是：将一个对 微弱力极敏感的微悬臂一端固定，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，通过在扫 描时控制这种力的恒定，带有针尖的微 悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作 用力的等位面而在垂直于样品的表面方 向起伏运动。利用光学检测法或隧道电 流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各 点的位置变化，从而可以获得样品表面 的形貌。 获得样品表面形貌是通过检测微悬梁位 置的变化而实现的。检测微悬梁位置变 化的主要有：隧道电流法和激光检测法。
原子力显微镜（AFM）
1985年，IBM公司的 Binning和Stanford大学的 Quate研发出了原子力显微 镜（AFM），弥补了STM的 不足，可以用来测量任何 样品的表面。
AFM的原理
AFM是在STM的基础上发展起来的一种显 微技术。那么，首先我们先来了解下STM 的工作原理。 STM是利用原子间的隧道效应进行测量的。
相位移模式
作为轻敲模式的一项重要扩展技术，相移模式(相 位移模式)通过检测驱动微悬臂探针振动的信号源的 相位角与微悬臂探针实际振动的相位角之差（即两者 的相移）的变化来成像。 引起该相移的因素很多，如样品的组分、硬度、 粘弹性质等。因此利用相移模式(相位移模式)，可以 在纳米尺度上获得样品表面局域性质的丰富信息。迄 今相移模式(相位移模式)已成为原子力显微镜的一种 重要检测技术。