原子力显微镜
《原子力显微镜》课件
未来发展趋势
未来，原子力显微镜技术将进一步提高分辨率和扫 描速度，并应用于更多领域。
七、参考文献
1 相关学术论文
1. Title 1 2. Title 2 3. Title 3
2 专业书籍
1. Title A 2. Title B 3. Title C
二、工作原理
探针的作用
原子力显微镜使用微小的探针探测物质表面，获得原子级别的高分辨率图像。
检测原理
通过探测器记录探针的弯曲变化，从而推断物体表面的高度和形貌。
显示方法
利用电子信号将探测到的数据转化为高清图像，可实时显示。
三、应用领域
表面形貌和结构分析
原子力显微镜可用于观察材料 表面的形貌和结构，帮助研究 纳米级别的材料。
《原子力显微镜》PPT课 件
本课件将介绍原子力显微镜的工作原理、应用领域和优缺点分析，以及操作 和维护的常见问题解答。
一、前言
什么是原子力显微镜
原子力显微镜是一种高分辨率的显微镜，能够 观测到物质的原子尺度细节。
发展历史
原子力显微镜于1986年由Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明，获得了诺贝尔奖。
原子力显微镜的分辨率可达到纳米级别，扫描范围取决于探针的尺寸和扫描区域。
如何正确操作原子力显微镜
正确操作原子力显微镜需要进行样品制备、参数设置和扫描操作等步骤。
原力显微镜的维护
维护原子力显微镜需要保持清洁，及时更换探针并进行校准。
六、结论
原子力显微镜对科学研究的重要性
原子力显微镜在纳米级别材料研究和生物学研究中 发挥着重要作用。
纳米尺度材料表征
该技术可用于研究纳米颗粒、 纳米管和纳米线等纳米材料的 特性。
原子力显微镜(afm)的基本构成
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。
原子力显微镜法
原子力显微镜法原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，简称AFM）是一种高分辨率的表面形貌和力学特性测量技术。
它通过在探针和样品表面之间施加微小的力量，利用谐振频率变化的检测原理获得样品表面的拓扑信息，从而实现纳米尺度的观测和测量。
本文将介绍 AFM 的基本原理、操作流程及其在纳米科学与纳米技术领域的应用。
一、基本原理原子力显微镜是基于探针与样品表面之间相互作用力的测量原理工作的。
探针端通过弹性变形受到样品表面的力作用，且力与距离成反比。
AFM以原子尺度的分辨率测量表面形貌，使用悬臂梁弹簧探针，通过测量力传感器的弯曲程度得到样品表面的高低起伏。
由于探针尖端可以被加工成非常尖锐的形状，所以可以实现纳米级别的表面成像。
二、操作流程1. 样品准备：将待测样品表面进行清洗和处理，确保表面干净平整。
2. 探针安装：选择合适的探针并安装在原子力显微镜仪器上。
3. 探针校准：使用标定样品或试样进行探针的校准调整，以确保测量结果的准确性。
4. 调整参数：根据样品的特性和需要测量的参数，进行原子力显微镜的工作参数设置。
5. 表面成像：将样品放置在仪器台面上，通过控制探针的移动和扫描模式，实现对样品表面的成像。
6. 数据分析：对得到的图像进行处理和分析，提取所需的拓扑和力学信息。
三、应用领域原子力显微镜法在纳米科学与纳米技术领域有着广泛的应用。
1. 表面形貌分析：原子力显微镜可以实现对材料表面的纳米级别形貌观测，如纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜等的形貌表征。
2. 纳米力学性质研究：通过在原子力显微镜中加入力曲线扫描模式，可以测量材料的力学性质，如硬度、弹性模量等。
3. 表面化学成分分析：结合原子力显微镜与其他表征手段，如扫描电子显微镜、能谱分析等，可以实现对样品表面化学成分的分析。
4. 生物医学应用：原子力显微镜可实现对生物分子及细胞的高分辨率成像和测量，对生物医学研究具有重要意义。
5. 纳米加工与纳米制造：利用原子力显微镜的扫描控制功能，可以进行纳米级别的构筑、雕刻和操控，用于纳米加工技术和纳米器件制造。
原子力显微镜(Atomic Force Microscope)
（3）轻敲模式
• 为解决接触模式和非接触模式的缺陷而发展； • 扫描方式：探针保持一定振幅（>20nm）轻轻敲击样品表面，与样 品间歇接触，当振荡的针尖向下接近表面时，由于吸引力的作用， 微悬臂没有足够的空间去振荡，其振幅将减小；而后，排斥力将 针尖反向向上振荡，振幅增大。反馈系统根据振幅变化，不断调 整针尖-样品间距来控制微悬臂振幅，使作用在样品上的平均力恒 定，从而得到样品的表面形貌。 • 相互作用力：引力和斥力交互作用； • 优点：针尖与样品接触时间很短，并有足够的振幅来克服针尖和 样品间的黏附力，因此对样品的破坏很小； • 适合样品：各种样品，特别适合生物和高分子等柔软、粘附性较 强的样品，并且不对它们产生破坏 ； • 可在真空、大气和液体环境中的应用，具有较高分辨率。
（2）非接触模式
• 为解决接触模式易损坏样品而发展；
• 扫描方式：探针与样品表面不接触，针尖在样品表面上方520 nm处扫描； • 相互作用力：范德华引力，针尖和样品间的距离通过保持微 悬臂共振频率或振幅恒定来控制 ； • 优点：对样品没有损坏； • 缺点：针尖和样品间距离较大，图像分辨率比接触模式低； • 实际上，由于大气环境下样品表面易吸附气体，非接触模式 比较难操作，同时也不适合在液体环境下使用。
AFM样品的制备
• 总体原则：样品表面尽可能平整，样品与基片的结合尽可能 牢固，必要时可采用化学键合、化学特定吸附或静电吸引的 方法固定； • 常用基片：云母、单晶硅片、玻璃、石英、高序热解石墨 （HOPG）等。 • 溶液：可旋涂、滴涂或浸涂于平整基片上，干燥备用； • 纳米薄膜材料：较厚的薄膜可以直接测定，较薄的薄膜应尽 量用基片支撑后测定 ； • 纳米粉体材料：应尽量以单层或亚单层形式分散并固定在基 片上。一般将其放入分散液（水或乙醇等）中，用超声波分 散，再根据纳米粒子的亲疏水性、表面化学特性等，选择合 适的基片，将超声分散过的溶液滴到基片上，烘干或晾干备 用。
化学物质的原子力显微镜
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（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。
原子力显微镜
T47D细胞被附着在包被了伴刀豆球蛋白A的微悬臂上
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4、AFM观察动态生物过程
▪ AFM也是观察细胞生物过程的非常有效的工具。Haeberle 等用AFM记录了单个病毒颗粒从被感染细胞中释放的过程。
▪ Ohnesorge以类似的方法研究了痘病毒和活细胞，得到了 痘病毒感染活细胞全过程的AFM图。通过活着的细胞观察 子代病毒颗粒-并用AFM在水溶液环境中在分子水平分辩 出有规则重复的烙铁状结构(宽7-11nm长60-90nm,和准有 序的环状结构(直径5-10nm)观察中发现在感染前后最初几 小时,细胞并无显著变化;子代病毒粒子沿细胞骨架进入细 胞内部,还发现了胞吐、病毒颗粒聚集等现象。
▪ Protein-protein interactions
▪ Yokokawa M, Wada C, Ando T, et al. Fastscanning atomic force microscopy reveals the ATP/ADP-dependent conformational changes of GroEL. EMBO J 2006;25:4567-76
▪ Thie M, Interactions between trophoblast and uterine epithelium:monitoring of adhesive forces, Hum.Reprod. (1998) 13 (11):3211-3219.
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3、AFM检测活细胞间相互作用
原子力显微镜（AFM）
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目录
▪ AFM的成像原理 ▪ AFM用于生命科学的优势与特点 ▪ AFM在细胞生物学中的应用 ▪ AFM存在的问题 ▪ AFM最近的研究进展 ▪ 总结与展望
原子力显微镜
原子力显微镜原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种高分辨率的显微镜技术，通过探针与样品表面的相互作用，可以获取纳米级的表面形貌和力学性质信息。
本文将介绍原子力显微镜的原理、应用以及未来的发展前景。
一、原理原子力显微镜的工作原理基于触针与样品表面的相互作用力，通过探测器对这种相互作用力进行检测和测量。
主要包括力探头、支撑结构、扫描部件、力传感器等多个部分。
当力探头接近样品表面时，表面原子与力探头上的原子之间会发生排斥或吸引的作用力，力探头被弯曲，力的大小和方向与样品表面的形貌和力学性质有关，通过探测器的测量，可以得到样品表面精细的拓扑信息。
二、应用领域原子力显微镜在材料科学、生物科学、纳米技术等领域有着广泛的应用。
1. 材料科学原子力显微镜可以用于材料的表面结构和形貌研究。
通过观察样品表面的凹凸不平、纳米级的颗粒分布等可以得到材料的表面形貌信息。
同时，还可以通过测量样品表面的硬度和弹性模量来评估材料的力学性质。
2. 生物科学生物领域中，原子力显微镜可以用于观察和研究生物分子的结构和相互作用。
通过将生物样品固定在一个稳定的平台上，可以观察到生物分子的三维结构，从而研究其功能和性质。
此外，原子力显微镜还可以用于细胞力学性质的研究，例如细胞的刚度、粘附性等。
3. 纳米技术在纳米技术领域，原子力显微镜扮演着重要的角色。
可以利用原子力显微镜来观察纳米颗粒的形貌、尺寸和分布，对纳米结构进行表征和分析。
此外，原子力显微镜还可以用于纳米加工、纳米操纵等方面的研究。
三、未来发展前景原子力显微镜作为一种重要的纳米级表征工具，其发展前景非常广阔。
1. 提高分辨率随着技术的不断发展，原子力显微镜的分辨率得到了大幅度的提高。
未来，我们可以预期原子力显微镜的分辨率将越来越高，可以观察到更加微小的结构和表面特征。
2. 多种模式的结合目前已经存在多种不同的原子力显微镜工作模式，例如接触模式、非接触模式、谐振模式等。
2-原子力显微镜AFM
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2.2.1 原子力显微镜的基本原理
AFM的微小的针尖
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2.2.2原子力显微镜微悬臂偏转的检测方法
AFM的图像是通过在样品表面上扫描时测量微悬臂受力弯曲后偏转的程度得到 的。采用不同的微悬臂偏转的检测方式就构成了不同的AFM工作原理。检测微悬臂偏转 的方式有很多种，其精度将直接影响到AFM的原子分辨率。最常用的有四种：
在电容测量法中，微悬臂作为构成平行平板电容器的一块平板 之一，而另一块平板则平行地位于微悬臂的上方，如图所示。
微悬臂的偏转值将通过测量该电容器的电容值的变化得到。它 的垂直位移检测精度达到0.03nm。电容测量法是所介绍的这几种 常用微悬臂偏转检测方法中精度稍差的一种。
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2.2.3原子力显微镜的微悬臂及针尖
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2.2.1 原子力显微镜的基本原理
AFM的工作原理如图所示。对 微弱力极其敏感的微悬臂一端固定， 另一端则有一微小的针尖。在图像 扫描时，针尖与样品表面轻轻接触， 而针尖尖端原子与样品表面原子间 存在极微弱的排斥力(10-8~10-6N)， 会使悬臂产生微小偏转。这种偏转 被检测出并用作反馈来保持力的恒 定，就可以获得微悬臂对应于扫描 各点的位置变化，从而可以获得样 品表面形貌的图像。各种形式的 AFM的区别主要在微悬臂偏转的检 测方式上，通常有隧道电流检测法， 光学检测法和电容测量法。
2.2 原子力显微镜（AFM） 2.2.1 原子力显微镜的基本原理
STM只能在导电材料的样品表面上分辨出单个的原子并得到原 子结构的三维图像。对于非导电材料， STM将无能为力，应用受到 了限制。为了弥补STM的不足，分辨绝缘表面上的单个原子，1986 年，Binnig，Quate和Gerber发明了原子力显微镜(AFM)。AFM是 一种类似于STM的显微技术，它的许多元件与STM是共同的，如用 于二维扫描的压电陶瓷系统以及反馈控制器等。它与STM主要不同 点是用一个对微弱力极其敏感的易弯曲的微悬臂针尖来代替STM的 隧道针尖，并以探测悬臂的微小偏转代替了STM中的探测微小隧道 电流。正是因为AFM工作时不需要探测隧道电流，所以它可以用于 分辨包括绝缘体在内的各种材料表面上的单个原子，其应用范围无 疑比STM更加广阔。但从分辨率来看，AFM要比STM略微低一些。
《原子力显微镜系统》课件
开发多模式原子力显微镜，具备多种探测功能，如振动模式、电流 模式等，以便更全面地了解样品性质。
应用领域的拓展
生物医学领域
利用原子力显微镜观察生物大分子结构和细胞表面的形貌，为疾 病诊断和治疗提供有力支持。
能源领域
研究电池材料、太阳能电池等能源器件的表面结构和性能，提升 能源利用效率。
环境领域
常见故障排除
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图像问题
检查光源、镜头、样品等 是否正常，确保图像质量 。
仪器失灵
检查仪器线路连接、电源 等是否正常，确保仪器正 常运行。
数据异常
检查数据采集、处理等环 节是否正常，确保数据准 确性。
定期保养与校准
保养
按照厂家推荐的保养周期 ，对仪器进行全面保养。
校准
定期对仪器进行校准，确 保测量结果的准确性。
扫描装置通常由微机械加工技术制造，具有极高的定位 精度和稳定性。
扫描范围可以从几微米到几毫米，具体取决于不同的应 用需求。
反馈系统
反馈系统负责实时监测针尖与 样品之间的相互作用力，并根 据反馈信号调整悬臂的位置，
以保持力恒定。
反馈系统通常由一个差分电容 传感器和一个PID控制器组成。
差分电容传感器能够检测悬臂 的微小位移，并将其转换为电 信号。
《原子力显微镜系统 》PPT课件
目录
CONTENTS
• 原子力显微镜系统概述 • 原子力显微镜系统组成 • 原子力显微镜系统操作流程 • 原子力显微镜系统的维护与保养 • 原子力显微镜系统的未来发展与展望
01 原子力显微镜系统概述
原子力显微镜的定义
01
原子力显微镜是一种利用原子间 微弱作用力来观察物质表面结构 的仪器。
原子力显微镜
（2） A F M 与计算机模拟技术相结合， 研究蛋白质晶体的空间结构 （3） A F M 单分子力谱线技术和蛋白 质工程技术联用 研究力对巯基二硫键转 换的动力学 （4 ）A F M 可与 P C R 技术结合对 D N A 进行扩增和修复等等。
工作模式
• 原子力显微镜的工作模式是以针尖与样品 之间的作用力的形式来分类的。主要有以 下3种操作模式:接触模式(c o n ta c t m o d e ) ，非接触模式( n o n c o n ta c t m o d e ) 和敲击模式 ( ta p p in g m o d e ) 。 • 除了三种常见的三种工作模式外，原子力 显微镜还可以进行下面的工作：横向力显 微镜（L F M ） 、 曲线测量、纳米加工。
样品要求
原子力显微镜研究对象可以是有机固体、聚 合物以及生物大分子等，样品的载体选择范围 很大包括云母片、玻璃片、石墨、抛光硅片、 二氧化硅和某些生物膜等 。其中最常用的是新 剥离的云母片,主要原因是其非常平整且容易处 理。 试样的厚度，包括试样台的厚度，最大 为10 m m 。试样的大小以不大于试样台的大 小（直径20 m m ）为大致的标准。稍微大一 点也没问题。但是，最大值约为40 m m 。
二 原子力显微镜的工作
• 工作原理
原子力显微镜:是一种利用原子,分子间 的相互作用力来观察物体表面微观形貌的 新型实验技术.它有一根纳米级的探针,被 固定在可灵敏操控的微米级弹性悬臂上.当 探针很靠近样品时,其顶端的原子与样品表 面原子间的作用力会使悬臂弯曲,偏离原来 的位置.根据扫描样品时探针的偏离量或振 动频率重建三维图像.就能间接获得样品表 面的形貌或原子成分.
目录
• 一 原子力显微镜的简介 • 二 原子力显微镜的工作 • 三 原子力显微镜的应用
第五章原子力显微镜ppt课件
2 探针 ❖ 探针是AFM检测系统的关键部分．它由悬臂和
悬臂末端的针尖组成．随着精细加工技术的发展， 人们已经能制造出各种形状和特殊要求的探针。 悬臂是由Si或Si3N4经光刻技术加工而成的．悬臂 的背面镀有一层金属以达到镜面反射。在接触式 AFM中V形悬臂是常见的一种类型(如图3.2所 示)．
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
❖ 它的优点是具有低的垂直反 射机械力阻和高的侧向扭曲 机械力阻．悬臂的弹性系数 一般低于固体原于的弹性系 数， 悬臂的弹性常数与形状、 大小和材料有关．厚而短的 悬臂具有硬度大和振动频率 高的特点．
四、 原子力显微镜工作环境 病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程
原子力显微镜受工作环境限制较少，它可以在超高真空、气 相、液相和电化学的环境下操作。 (1)真空环境：最早的扫描隧道显微镜(STM)研究是在超高真空下进 行操作的。后来，随着AFM的出现，人们开始使用真空AFM研 究固体表面．真空AFM避免了大气中杂质和水膜的干扰，但其 操作较复杂。 (2)气相环境：在气相环境中，AFM操作比较容易，它是广泛采用 的一种工作环境．因AFM操作不受样品导电性的限制，它可以 在空气中研究任何固体表面，气相环境中AFM多受样品表面水 膜干扰。 (3)液相环境：在液相环境中．AFM是把探针和样品放在液池中工 作，它可以在液相中研究样品的形貌．液相中AFM消除了针尖 和样品之间的毛细现象，因此减少了针尖对样品的总作用 力．液相AFM的应用十分广阔，它包括生物体系、腐蚀或任一 液固界面的研究． (4)电化学环境：正如超高真空系统一样，电化学系统为AFM提供 了另一种控制环境．电化学AFM是在原有AFM基础上添加了电 解池、双恒电位仪和相应的应用软件．电化学AFM可以现场研 究电极的性质．包括化学和电化学过程诱导的吸附、腐蚀以及 有机和生物分子在电极表面的沉积和形态变化等。
原子力显微镜的原理及应用
原子力显微镜的原理及应用1. 原子力显微镜的原理原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种基于探针与样品之间的相互作用力进行显微观测的仪器。
它利用微小探针在纳米尺度上与样品表面的相互作用力，通过测量探针的位移或力的变化，实现对样品表面形貌和性质的高分辨率表征。
1.1 原子力显微镜的探针•原子力显微镜的探针通常由单个或多个纳米尺寸的晶体材料制成，如硅、碳纳米管等。
探针的尖端具有非常尖锐的几何形状，其尺寸可以控制在纳米级别。
1.2 原子力显微镜的工作原理•原子力显微镜在扫描过程中，探针通过微小的弹簧力和表面之间的静电引力或范德华力等相互作用力与样品表面发生作用。
这些相互作用力的变化通过探针的位移或力的变化传递给检测系统，最终生成样品表面的形貌和性质图像。
2. 原子力显微镜的应用原子力显微镜在材料科学、表面物理和生物科学等领域有着广泛的应用。
下面列举了一些常见的应用领域。
2.1 材料表面形貌与性质分析•原子力显微镜能够对材料表面的形貌和性质进行高分辨率的表征，包括表面粗糙度、晶体结构、自组装行为等。
这对于材料的表面工艺和性能研究具有非常重要的意义。
2.2 生物样品的形态学研究•原子力显微镜可以对生物样品中的细胞、细胞器、蛋白质等进行高分辨率的形态学研究。
通过观察生物样品的表面形貌和结构，可以获取关于其生物学功能和病理变化的重要信息。
2.3 表面力学性能的表征•原子力显微镜可以通过对探针与样品之间的弹性变形进行测量，实现对样品的力学性能进行表征。
这对于材料的力学性能分析、薄膜的力学性质研究等具有重要意义。
2.4 纳米加工与纳米操控•原子力显微镜不仅可以用于纳米尺度下的观察，还可以通过在探针尖端施加微小力量，实现纳米级别的加工和操纵。
这对于纳米器件的制备和纳米材料的操控具有非常重要的应用前景。
2.5 电磁性能的表征•原子力显微镜可以通过测量在电磁场作用下样品表面的位移或力的变化，实现对电磁性能的表征，包括电容、导电性等。
原子力显微镜的原理及其应用
原子力显微镜的原理及其应用原子力显微镜（AFM）是一种高分辨率的显微技术，能够在几个纳米级别以内测量表面的形貌和性质。
与传统的光学显微镜相比，原子力显微镜具有更高的分辨率和更广泛的应用范围。
本文将探讨原子力显微镜的工作原理和主要应用。
一、原子力显微镜的工作原理原子力显微镜的基本原理是利用探针在被测物体表面扫描，测量其力和形状，从而得到样品表面的拓扑图像和力学特性。
设探针与样品表面间的力为F，探针运动的偏离量为Z，则探针与样品表面之间存在一种相互作用力，即范德华力、静电力、化学键连接力和弹性力等。
这些相互作用力的大小和方向都受到探针和样品之间的距离、形状和电荷等因素的影响。
原子力显微镜的探针一般是一根非常细且硬的尖针，通常使用硅或金属等材料制成，其直径只有几纳米，长度也只有数十微米。
当探针接近样品表面时，它与表面之间的相互作用力会使得探针距离表面的距离发生微小的变化。
这种变化会导致探针所受到的力和位置的微小变化，从而可以测量出样品表面的拓扑图像和表面力学性质。
在实际应用中，为了测量样品表面的形貌和性质，需要将探针移动到样品表面附近，然后以一定的速度扫描样品表面。
探针扫描过程中，会通过一些反馈机制来保持探针和样品表面之间的相互作用力稳定，该反馈系统通常可以通过悬挂立体反射镜、压电驱动水晶和光束等方式来实现。
由此，原子力显微镜可以获得高分辨率、高精度和高重复性的样品表面形貌和性质数据。
二、原子力显微镜的应用原子力显微镜的应用范围非常广泛，包括材料科学、表界面科学、电子学、生物医学、能源环保等多个领域。
下面我们将分别介绍其主要应用领域。
1、材料科学原子力显微镜在材料科学领域的应用非常广泛，可以用于材料表面和界面的精细结构研究、材料性能测试和材料失效分析。
例如，原子力显微镜可以在材料表面上观察和测量微小的纳米级别结构，得到样品中的化学元素分布情况、晶体结构和晶体生长机制等信息。
另外，原子力显微镜还可以用来研究材料表面的物理化学性质，如表面粘附力、表面摩擦力、表面电荷密度和表面能等。
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。
什么是原子力显微镜
什么是原子力显微镜
原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种用于研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的高级分析仪器。
它通过检测待测样品表面和一个微型力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。
原子力显微镜主要由两部分组成：微悬臂和反馈系统。
微悬臂是一对微弱力极端敏感的细小臂，一端固定，另一端的微小针尖接近样品表面。
当针尖与样品相互作用时，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。
反馈系统则负责实时监测微悬臂的变化，并通过调整针尖与样品之间的距离或改变针尖的形状来保持微悬臂的稳定。
在原子力显微镜中，扫描样品时，利用传感器检测微悬臂的变化，就可获得作用力分布信息。
这些信息可以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。
由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不足。
以上信息仅供参考，如有需要，建议查阅相关网站。
原子力显微镜-仪器百科
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
原子力显微镜的介绍
简介
原子力显微镜（AFM）是在扫 描隧道显微镜基础上为观察非导电 物质经改进而发展起来的分子和原 子级显微工具。对比于现有的其它 显微工具，原子力显微镜以其高分 辨、制样简单、操作易行等特点而 备受关注，并已在生命科学、材料 科学等领域发挥了重大作用，极大 地推动了纳米科技的发展，促使人 类进入了纳米时代。
原子力检测方法，也即微悬臂偏转的检测方法，一 般有7种。它们是:隧道电流、电容、自差、外差、激光二 极管反馈、偏振和偏转方法。前两种属于电子方法;后5种 为光学方法，最后一种光偏转方法是采用最多的方法也是 批量生产原子力显微镜最长采用的方法。
工作模式
接触模式
样品扫描时，针尖始 终同样品“接触”。此模 式通常产生稳定、高分辨 图像。针尖-样品距离在小 于零点几个纳米的斥力区 域。样品沿着xy方向扫描 时，由于表面的高低起伏 使得针尖-样品距离发生变 化，引起它们之间作用力 的变化，从而使悬臂形变 发生改变。
非接触模式
针尖在样品表面的上方振动 ，始终不与样品表面接触。针 尖-样品距离在几到几十纳米的 吸引力区域，针尖-样品作用力 比接触式小几个数量级。当以 共振频率驱动的微悬臂接近样 品表面时，由于受到递增的力 梯度作用，使得微悬臂的有效 的共振频率减小，因此在给定 共振频率处，微悬臂的振幅将 减小很多。振幅的变化量对应 于力梯度量，因此对应于针尖样品间距。反馈系统通过调整 针尖-样品间距使得微悬臂的振 幅在扫描时保持不变，就可以 得到样品的表面形貌像。
原子力显微镜功能
• 表面形貌的表征 通过检测探针-样品作用力可表征样品 表面的三维形貌，这是AFM最基本的功能。 • 表面物化属性的表征 AFM的一种重要的测量方法是力-距离曲 线，它包含了丰富的针尖-样品作用信息。 在探针接近甚至压入样品表面又随后离开 的过程中，测量并记录探针所受到的力， 就得到针尖和样品间的力-距离曲线。
原子力显微镜(AFM)
原子力显微镜的特点
原子力显微镜同样具有原子级的分辨 率。由于原子力显微镜既可以观察导 体，也可以观察非导体，从而弥补了 STM的不足
单原子操纵和纳米加工
STM的针尖不仅可以成像，还可以用于操纵表面上的原子 或分子
最简单的方法是将针尖下移，使针尖顶部的原子和表面上 的原子的“电子云”重叠，有的电子为共享，会产生一种 与化学键相似的力。在一些场合下，这种力足以操纵表面 上的原子
➢ 当距离>0.6nm时，STM针尖和样品表面之间的化学相互作用 在单原子操纵过程中不起主导作用，这样，原子的操纵则取决 于针尖和样品表面之间的纯电场或电流效应
单原子操纵的三个部分
➢ 单原子的移动（displacement） ➢ 单原子的提取（extraction） ➢ 单原子的放置（deposition）
在现代超大规模集成电路芯片的光刻生产加工中，目前 广泛应用于实际生产、精度最高的是深紫外光光刻技术。 它加工的最小线宽为130nm，其理论极限是100nm
最小线宽决定了集成电路中晶体管尺寸的大小。因此， 发展100nm以下的刻蚀技术是未来更大规模集成电路 加工的基础
AFM与STM在纳米技术加工方面都具有很强的应用背 景。AFM不受材料种类的限制，在各种材料的加工中得 到了更广泛的应用
氧化硅纳米细线的加工
用多壁碳纳米管针 尖在Si的氢钝化表面 上加工 出的SiO2纳
米结构
SiO2纳米细线构成 的微小的单词
“nanotube”和 “nanopencile”
10nm线宽在石墨表面刻写的字符 Chinese Academy of Sciencer
为了更有效地操纵表面上的原子，通常在针尖和表面之间 加上一定的能量，如电场激励、电流激励、光子激励等能 量方式
原子力显微镜的原理及使用
原子力显微镜的原理及使用原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种基于原子力相互作用原理的高分辨率显微镜。
它通过在扫描探针与样品表面之间施加微小力量，测量和绘制出样品表面的形貌和力学性质。
与其他显微镜相比，原子力显微镜具有极高的分辨率和灵敏度，能以原子甚至分子级别观察样品。
原理：原子力显微镜的工作原理基于原子尖端与样品表面之间的相互作用。
在扫描探针尖端和样品表面之间，施加微小的力量（约为纳牛顿级别），探针的弹性偏转将力的大小和方向传递给探测器，从而得到力的信息。
通过扫描样品表面并记录每个位置的力信息，可以绘制出样品的形貌图像。
在原子力显微镜中，主要有三种模式的操作：接触模式、非接触模式和侧向力模式。
在接触模式中，探针尖端直接接触样品表面，通过在探针和样品之间施加恒定的力，测量表面的形貌。
在非接触模式中，探针尖端悬浮在样品表面之上，仅通过测量探针与样品之间的相互作用力，获取样品表面的形貌信息。
在侧向力模式中，除了测量垂直于样品表面的力，还测量样品表面上的侧向力，可以获得样品的力学性质和摩擦特性。
使用：1.表面形貌研究：原子力显微镜可以以原子级别的分辨率观察样品表面的形貌，用于研究材料的微观结构、晶体生长和表面粗糙度等。
例如，用于研究纳米颗粒、纳米线和表面薄膜等材料。
2.生物学研究：原子力显微镜对于生物学研究非常重要，可以实时观察和测量生物大分子（如蛋白质、DNA）的结构和相互作用力。
通过测量生物分子的力学性质，可以了解细胞力学特性、膜蛋白的功能和抗体与抗原的相互作用等。
3.材料力学性质研究：原子力显微镜可以测量样品表面的力学性质，如硬度、弹性模量和摩擦力等。
这些信息对于材料科学和工程应用具有重要意义，可以帮助研究人员设计和改进材料的性能。
4.磁性材料研究：原子力显微镜还可以用于研究磁性材料的表面形貌和磁性特性。
通过在磁场中操作探针，可以测量和操控样品表面的磁场分布，用于磁性材料的研究和应用。
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Gellan凝胶多糖形成凝胶后网络结构
AFM images of gellan gel network deposited on to mica
角叉聚糖和gellan胶的网络结构
AFM images of gellan and xyloglucan networks deposited on to mica.
电排斥随探针与样品表面原子的进一步靠近，逐渐抵消
原子间的吸引力。当原子间距离小于1nm，约为化学键 长时，范德华力为0。
在力学曲线中有5个区域,从ⅰ开始,这是探针和样品相距较远,它 们之间没有什么作用力,悬臂也不会发生偏转;ⅱ当探针与样品进一步 靠近,它们之间出现相互引力和斥力,从而导致悬臂发生偏转,这时斥力
直链淀粉的AFM图像
AFM images of amylose that have been deposited onto mica (a) Overlapping amylose molecules, (b) Branched amylose molecule showing a single long branch, (c) Branched amylose molecule displaying short branches
马铃薯淀粉粒的AFM图像
AFM images of starch granule (a) dried starch granule (b) frozen starch granule
七、AFM假象
光镜和电子显微镜成像都受电磁衍射的 影响，这给它们辨别三维结构带来困难。而 AFM可弥补这些不足。出项假象的情况：
1）针尖成像。当针尖比样品特性更尖时则会
出现假象。 2）钝的或污染的针尖。
3）双针尖或多针尖假象。
4）样品上污染物引起的假象。
八、AFM在多糖中的应用
1、高分子领域（包括纳米结构，微观尺寸下材料的性质，多分子样品
的相分布，亚表面结构）
1）形貌观察
AFM可以在高分子表面形态，纳米结构，链堆砌（chain
packing）和构象等。 可以通过接触式、敲击式AFM来研究高分子的形貌。
接触式研究形貌的分辨与针尖和样品接触面积有关，一般来说，二者
的接触尺寸为几纳米，接触力越小，接触面就越小。同时也减小针尖 对样品的破坏。为了获得高分辨率高分子图像，人们用各种方法对样
sidewall angles）。曲率半径决定的是最高侧向分辨率， 而探针的侧面角决定最高表面比率特征（high aspect ratio feature）的探针能力。
曲率半径越小，越能分辨精细结构
当针尖有污染的时候会导致针尖变钝，使得 图像灵敏度下降或失真。但钝的针尖或污染的针 尖不影响样品的垂直分辨率。样品的陡峭面分辨 程度决定于针尖侧面角的大小，侧面角越小，分 辨陡峭的样品表面能力就越强。
针共振频率或振幅恒定，进而使探针与样品表面平均距离恒定。计算
机通过记录扫描器的移动获得样品表面形貌图。
3) 非接触式成像模式 与非接触式AFM比较相似，当它比非接触式AFM 有更近的样品与针尖距离。和非接触式AFM一样，它 是以一种恒定的驱动力使探针悬臂以一定的频率振动 （一般为几百千赫），振动的振幅可以通过检测系统 检测。当针尖刚接触到样品时，悬臂振幅会减小到某 一数值。在扫面样品的过程中，反馈回路维持悬臂振
与以上两种模式比的优点是有效防止了样品对针尖的 黏滞现象和针尖对样品的损坏。当遇到固定不牢的样品时，
用接触式AFM成像使样品因摩擦力和黏滞力被拉起，从而
产生假象。而非接触式成像则分辨率低。不能得到样品的 精细结构形貌，敲击式集中了接触式分辨高和非接触式样
品损坏小的优点。得到了既反映真实形貌又不破坏样品的
AFM的垂直分辨率与针尖无关，而是由AFM 本身决定的。它还与下面的几个因素有关：
1）扫描器分辨率。好的仪器可提供0.1nm 的垂直分辨率。 2）噪音的影响。可提供<0.1nm的噪音影 响。 3）AFM象素影响。可满足最小可分辨率 尺寸。
五、AFM表面分析工具——力学曲线
六、AFM的工作环境
1）真空。STM（扫描隧道显微镜）需要用超高 真空，使用真空可避免大气和水膜的干扰，但操 作复杂。 2) 气相环境。可在空气中操作。但多受样品表 面水膜的干扰。 3）液相环境。适合于生物体、腐蚀或任一液固 面 4）电化学环境。
AFM images of pectin polysaccharides deposited on to mica.
细茵多糖黄原胶
AFM images of xanthan polysaccharides deposited on to mica.
Gellan凝胶多糖
AFM images of gellan polysaccharides deposited on to mica.
图像。 另一优点是它的线性操作范围宽，这为反馈系统提供
了足够高的稳定性，从而得到了样品检测的重现性。
4）升降成像模式
AFM家族中的一些技术需要除去形貌特征而得到 特征信息。在磁力显微镜和静电力显微镜中，首先获得 高度信息，然后把针尖抬到设定的高度（一般为10～
100nm），再沿形貌图线扫描样品，从而得到除去高
宽度为20-40nm。宽度远大于单链分子的估算值，同样的现象
也出现在DNA的AFM观察中。其原因是AFM探针的曲率半径 在5-20nm范围内，不够小，导致扫描时存在增宽效应。
果胶(pectin) 多糖来源于植物细胞壁，对植物也有一系列的
活化功能，是已知存在的最复杂的天然聚合物，在食品和制 药工业上十分重要
二、基本原理
它是用微小的探针“摸索”样品表面来获得信息。当 针尖接近样品时，针尖受到力的作用使悬臂发生偏转或振 幅改变。悬臂的这种变化经检测系统检测后转变成电信号
传递给反馈系统和成像系统，记录扫描过程中的一系列探
针变化就可以获得表面的信息图像。仪器包括检测系统， 扫描系统和反馈系统。(如图1）
1、检测系统
悬臂的偏转或振幅改变可以通过多种方式检测，包括：光
衍射法、光干涉法、隧道电流法、电容检测法等。目前AFM系
统中常用的是激光反射检测系统，简单灵敏。此系统由探针、 激光发生器和光检测器组成。
1）探针（AFM检测器的关键部分）。 由悬臂和悬臂末端的针尖组成 2）光检测器
2、扫描系统 3、反馈控制系统
其功能主要有： 1）提供控制压电转换器x－y方向扫描的驱动电压； 2）在恒力模式下维持来自显微镜检测环路输入模拟信号 在一恒定数值。 恒力模式 反馈模式 恒高度模式
原子力显微镜与前面的两种显微镜相比有明显不同，
它用一个微小的样品探针来“摸索”微观世界。在立体三
维上观察物质的形貌。并能获得探针与样品相互作用的信
息。典型AFM的侧向分辨率（x，y方向）可达到2nm，垂 直分辨率（z方向）小于0.1nm。 特点：操作容易、样品准备简单、操作环境不受限制、 分辨率高等优点。
（ 1µm/512），高质量针尖可以提供1～2nm的分辨率。
由此图可知，在扫描样品尺寸超过1µm ×1µm时，AFM 的侧向分辨率是由采集图像的步宽决定的。
二、针尖因素
AFM成像实际上是针尖形状于表面形貌作用的结果，
针尖的形状是影响侧向分辨率的关键因素。针尖影响AFM
成像主要为：针尖的曲率半径和针尖侧面角（tip
度影响的静电力和磁力分布。该方式针尖和样品的距离 不受形貌的影响，所得到的图像反映针尖与样品产生作
用力的变化，如磁力线分布等。
四、AFM的分辨率
分辨率包括：
侧向分辨率：决定于采集图像的步宽 （step site）和针尖形状。 垂直分辨率
1、步宽因素
图像采集点如图所示，扫描器沿着齿形路线进行扫描， 计算机以一致的步宽取数据点。每幅图像取512×512数 据点计算，扫描1µm× 1µm尺寸图像得到步宽为2nm
食品化学综述
原子力显微技术及其在多糖中的应用
原子力显微镜
一、概述
光学显微镜分辨率一般仅能达到µm级水平。
电子显微镜，以投射或反射的方式成像，最高分辨率可达 5nm。 但同样只能获得样品表面的二维信息。 1986年，Binning，Quate 和 Cerber 发明了第一台原子力显微镜 (atomic force microscope，AFM)。AFM可以用于观察物质表面总电 子密度的形貌，弥补了扫描隧道显微镜(STM)不能观测非导电样品的 缺陷。同时，AFM超越了光和电子波长对显微镜分辨率的限制，可 在三维立体上观察物质的形貌和尺寸，并能获得探针与样品相互作 用的信息。
三、AFM的基本成像模式 包括以下4种：
接触式（contact mode） 非接触式(non- contact mode） 敲击式（tapping mode） 升降式（lift mode）
1)接触式成像模式
在此模式中，针尖与样品表面进行“软接触”。当 探针逐渐靠近样品时，探针表面原子与样品表面原子先 相互吸引，一直到原子间电子云相互静电排斥。这种静
幅在这一数值。当针尖扫描到样品突出区域时，悬臂
共振受到阻碍变大，振幅减小；反之，当针尖扫描到 样品凹陷区域时，悬臂共振受到阻碍变小，振幅增大。
悬臂振幅的变化经检测器检测并输入控制器后，反馈 回路调节针尖和样品的距离，使悬臂振幅保持恒定，反馈 调节是靠改变z方向压电陶瓷管电压完成的。当针尖扫描样
品时，通过记录压电陶瓷管的移动就得到样品表面形貌图。
相互作用越来越明显;ⅲ当探针和样品接触时,悬臂偏转更加明显,作用
力呈线性增加; ⅳ当达到最大偏转时,探针不再前进,开始回缩,此时受 到黏滞力为主的各种力的作用,延缓了样品和探针的分离,ⅴ最后探针
移动到其与样品的距离足以使悬臂的偏转重新为0的位置.
当合力为正值时（排斥），原子相互接触。由于在接
触区域范德华力曲线斜率很高，范德华斥力几乎抵消了使 探针进一步靠近样品表面原子的推力。当探针弹性系数很 小时，悬臂发生弯曲，通过检测这种弯曲就可以进行样品 形貌观察。假如设计很大弹性系数的硬探针给样品表面施