一、什么是原子力显微镜？
原子力显微镜是一种具有纳米级甚至原子级分辨率的超高分辨率扫描探针显微镜。它的核心原理非常简单：通过一个极细的探针在样品表面轻轻“触摸”或扫描，来感知样品表面的三维形貌和物理性质。
最令人惊叹的是，AFM不需要像电子显微镜那样必须在真空环境下工作，它可以在大气环境、液体环境、甚至真空中操作。这使得它能够观测生物大分子(如蛋白质、DNA)、活细胞等无法在电子显微镜下直接观察的样品，这是它的一项巨大优势。
二、工作原理
AFM的工作原理类似于古老的唱片机唱针读取唱片沟槽，但精度要高无数个数量级。其核心组成部分包括：
1、微悬臂梁： 一个极富弹性的微小悬臂。
2、探针： 位于悬臂梁末端的一个极其尖锐的针尖，曲率半径可达纳米级别。
3、激光发射与位置检测系统： 一束激光打在悬臂梁的背面，并反射到一个四象限的光电探测器上。
4、压电扫描器： 一种能够实现纳米级精确定位的陶瓷材料，可以控制探针或样品在X, Y, Z三个方向上进行精确移动。
工作过程(以接触模式为例)：
1、接触： 将尖锐的探针逐步逼近样品表面，直到它与样品表面的原子产生微弱的相互作用力(主要是范德华力)。
2、扫描： 压电扫描器带动探针在样品表面进行逐行扫描(栅扫描)。
3、感知形变： 当探针扫描到表面有起伏的地方时，针尖与样品之间的作用力会发生变化，导致微悬臂梁发生弯曲(形变)。
4、检测形变： 悬臂梁的弯曲会改变反射激光束的方向，从而在光电探测器上光斑的位置发生变化。这个位置变化被精确地记录下来。
5、反馈循环： 系统通过一个反馈回路，实时调整压电扫描器在Z方向的高度，以保持悬臂梁的形变(即探针与样品之间的作用力)恒定。
6、成像： 计算机记录下扫描器在每一点(X, Y坐标)上为保持力恒定所需要的Z方向高度变化值。将这些数据组合起来，就得到了样品表面的三维形貌图。
三、主要工作模式
AFM有多种工作模式，以适应不同的样品和测量需求，主要分为三类：
1. 接触模式
原理： 探针与样品表面直接接触(斥力模式)，悬臂梁与样品表面的距离小于零点几个纳米。
优点： 分辨率高，扫描速度快。
缺点： 横向力可能对柔软样品(如生物样品)造成损伤或移动。
2. 轻敲模式
原理： 使微悬臂梁在其共振频率附近发生振荡，探针仅在每个振荡周期的底部短暂地“轻敲”样品表面。通过检测振荡振幅的变化来反馈表面形貌。
优点： 极大地减少了横向力，非常适合观察柔软、易碎或粘附性强的样品(如生物、高分子材料)，是应用广泛的模式之一。
缺点： 扫描速度略慢于接触模式。
3. 非接触模式
原理： 探针在样品表面上方振动(距离几到几十纳米)，通过检测样品与针尖之间的长程作用力(如范德华力、静电力)的变化来成像。
优点： 对样品几乎零损伤。
缺点： 分辨率较低，通常需要在真空环境中操作以排除空气阻尼的干扰。
四、主要应用领域
AFM的强大功能使其在众多领域中应用：
1、材料科学：
观察纳米材料(如石墨烯、碳纳米管)的形貌和结构。
研究金属、半导体、陶瓷等材料的表面粗糙度、晶粒边界、缺陷。
分析高分子材料的相分离、晶体结构等。
2、生命科学与生物学：
成像： 直接观察DNA、RNA、蛋白质等生物大分子的结构，甚至能在液体环境中观察生物过程的动态变化。
力学性质测量： 通过力曲线测量，研究活细胞的弹性(刚度)、细菌的粘附力、蛋白质间的相互作用力等。
3、纳米技术：
纳米操纵： 移动单个原子或分子，构建纳米结构。
纳米加工： 利用AFM针尖对材料表面进行刻蚀、氧化，实现“直写”式加工。
4、半导体工业：
测量集成电路的线宽、深度，进行失效分析。
检测半导体器件的表面质量。
五、原子力显微镜结构特性：
◆ 激光检测头和样品扫描台集成一体，稳定可靠；
◆ 精密激光及探针定位装置，更换探针及调节光斑简单方便；
◆ 单轴驱动样品自动垂直接近探针，准确定位扫描区域，使针尖垂直于样品扫描；
◆ 马达控制加压电陶瓷自动探测的智能进针方式，保护探针及样品；
◆ 高精度大范围的压电陶瓷扫描器，可根据不同精度和扫描范围要求选择；
◆ 10X复消色差物镜光学定位，无需调焦，实时观测。
六、原子力显微镜技术参数：
| 基本工作模式 | 接触模式、轻敲模式、F-Z力曲线测量、RMS-Z曲线测量 |
| 选配工作模式 | 摩擦力/侧向力、振幅/相位、磁力和静电力 |
| 样品尺寸 | Φ≤90mm，H≤20mm |
| 扫描范围 | XY向50um，Z向5um(可选配XY向110um，Z向10um) |
| 扫描分辨率 | XY向0.2nm，Z向0.05nm |
| 样品移动范围 | 0~20mm |
| 光学放大倍数 | 10X，光学分辨率1um(可选配20X，光学分辨率0.8um) |
| 扫描速率 | 0.6Hz~4.34Hz，扫描角度0~360° |
| 扫描控制 | XY采用18-bit D/A，Z采用16-bit D/A |
| 数据采样 | 14-bit A/D、双16-bit A/D多路同步采样 |
| 反馈方式 | DSP数字反馈 |
| 反馈采样速率 | 64.0KHz |
| 通信接口 | USB2.0/3.0 |
| 运行环境 | WindowsXP/7/8/10操作系统 |
