第1个回答 2020-01-18
原子力显微镜（Atomic Force Microscope，缩写为AFM）是1986年问世的一种以隧道效应为理论基础的显微镜，是扫描探针显微镜家族中的重要成员。扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，缩写为SPM）包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜、摩擦力显微镜、静电力显微镜、磁力显微镜等等。它们都是运用一个探针相对于样品表面进行扫描，监测两者之间的电、光、力、磁场等随针尖与样品表面间隙的变化来获取样品表面的有关信息。
原子力显微镜由探针扫描系统、力检测与反馈系统、数据处理与显示系统以及振动隔离系统四部分组成。扫描系统的针尖装在微悬臂上，并使它与待测样品的表面有一定的力接触。由压电陶瓷或压电晶片三维扫描控制器驱动针尖或样品进行相对扫描。微悬臂对微弱力（如范德华力）极为敏感，并具有极高的可控空间定位精度，可达0.1nm。当微悬臂的针尖接触样品时，针尖尖端的原子与样品表面的原子会产生极微弱的排斥力，使微悬臂产生微小的形变。该形变可以作为针尖与样品之间作用力的直接度量。
近年来，原子力显微镜采用激光反射法来检测微悬臂的弯曲变形。一束激光经微悬臂背部反射到一个光电检测器（图5-5），检测器不同象限所接收的激光强度的差值与微悬臂的形变量呈一定的比例关系。微悬臂约0.01 nm的形变，在检测器检测后可变成3～10nm的位移，足够产生可测量的电压差。据此电压的变化，反馈系统不断地调整针尖或样品Z轴方向上的位置，可以保持针尖与样品之间的作用力恒定不变。通过测量电压对应于样品扫描位置的变化，即可获得样品表面原子尺度上的形貌图像。
图5-5 原子力显微镜的探针示意图
（据徐惠芳）
原子力显微镜对工作环境和样品制备的要求比电子显微镜的要求低得多。由于扫描面积小，相应地样品也应该很小。原子力显微镜不仅适用于导电样品，也适用于不导电的绝缘样品；样品可以在大气环境中，也可以在液体环境中进行测量。由于水环境中较低的针尖一样品力，有利于AFM成像。
原子力显微镜可应用于矿物溶蚀和风化表面的形貌观察和结构研究，表征矿物在溶解、生长、吸附，以及氧化还原反应中的形貌和结构变化，研究矿物与水界面之间的作用力、浮选过程中矿物颗粒与气泡表面之间的作用等。
上述四种显微镜的性能特点互不相同（表5-1），其中偏光显微镜是最基本的，它又是运用其余三种显微镜之前进行初步研究的必要的步骤之一。
表5-1 四种显微镜的主要特征对比
第2个回答 2024-04-03
原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）主要依赖于一种精密机制来工作，那就是探测样品表面与微型力敏感元件之间极其微弱的原子间相互作用力。
AFM的核心是一个对微弱力异常敏感的弹性微悬臂，其一端牢固地固定，另一端则装配了一个微小的针尖。当这个针尖轻轻触及样品表面时，两者之间的原子间作用力（大约在10^-8至10^-6牛顿的范围内）会引发微悬臂产生微小的弹性形变。这种形变与针尖和样品之间的作用力关系遵循胡克定律，即作用力与形变量之间存在正比关系。
在扫描过程中，通过反馈机制确保针尖与样品之间的作用力维持恒定，也就意味着微悬臂的形变量保持不变。因此，针尖会随着表面的起伏而上下移动。通过记录针尖的这种上下运动轨迹，我们就可以获取样品表面的形貌信息。
AFM的检测方式主要有两种：一种是“恒力”模式，另一种是“恒高”模式。在“恒力”模式下，我们保持微悬臂的形变量稳定，从而确保针尖与样品之间的作用力恒定不变。而在“恒高”模式下，我们保持针尖与参考水平面之间的距离不变，直接通过检测微悬臂在z方向的形变量来成像。
通过这些先进的检测方式，AFM能够以纳米级的分辨率提供样品表面的形貌、粗糙度等详细信息，并且无论是绝缘体还是导体材料，它都能发挥出色的作用。