原子力顯微鏡的應(yīng)用范圍十分廣泛，其適用于生物、高分子、陶瓷、金屬材料、礦物、皮革等固體材料等的顯微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)的觀測，以及粉末、微球顆粒形狀、尺寸及粒徑分布的觀測等。

原子力顯微鏡的三種工作模式

　　目前原子力顯微鏡有三種工作模式，接觸模式、輕敲模式和非接觸模式。

　　1、接觸模式

　　原子力顯微鏡接觸模式包括恒力模式和恒高模式。

　　在恒力模式中，通過反饋線圈調(diào)節(jié)微懸臂的偏轉(zhuǎn)程度不變，從而保證樣品與針尖之間的作用力恒定，當(dāng)沿x、y方向掃描時(shí)，記錄Z方向上掃描器的移動(dòng)情況來得到樣品的表面輪廓形貌圖像。這種模式由于可以通過改變樣品的上下高度來調(diào)節(jié)針尖與樣品表面之間的距離，這樣樣品的高度值較準(zhǔn)確，適用于物質(zhì)的表面分析。

　　在恒高模式中，保持樣品與原子力顯微鏡針尖的相對高度不變，直接測量出微懸臂的偏轉(zhuǎn)情況，即掃描器在Z方向上的移動(dòng)情況來獲得圖像。這種模式對樣品高度的變化較為敏感，可實(shí)現(xiàn)樣品的快速掃描，適用于分子、原子的圖像的觀察。

　　2、輕敲模式

　　在輕敲模式中，通過調(diào)制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器使帶針尖的微懸臂以某一高頻的共振頻率和0.01～1nm的振幅在Z方向上共振，而微懸臂的共振頻率可通過氟化橡膠減振器來改變。當(dāng)針尖沒有接觸到表面時(shí)，微懸臂以一定的大振幅振動(dòng)，當(dāng)原子力顯微鏡針尖接近表面直至輕輕接觸表面時(shí)，其振幅將減小;而當(dāng)針尖反向遠(yuǎn)離表面時(shí)，振幅又恢復(fù)到原先的大小。同時(shí)反饋系統(tǒng)通過調(diào)整樣品與針尖間距來控制微懸臂振幅與相位，使得作用在樣品上的力保持恒定，記錄樣品的上下移動(dòng)情況即在Z方向上掃描器的移動(dòng)情況來獲得圖像。

　　3、非接觸模式

　　非接觸模式是探針針尖始終不與樣品表面接觸，在樣品表面上方5～20nm距離內(nèi)掃描。針尖與樣品之間的距離是通過保持微懸臂共振頻率或振幅恒定來控制的。原子力顯微鏡這種模式中，樣品與針尖之間的相互作用力是吸引力——范德華力。

　　非接觸模式原子力顯微鏡的工作原理就是，以略大于微懸臂自由共振頻率的頻率驅(qū)動(dòng)微懸臂，當(dāng)針尖接近樣品表面時(shí)，微懸臂的振幅顯著減小。振幅的變化量對應(yīng)于作用在微懸臂上的力梯度，因此對應(yīng)于針尖-樣品間距，反饋系統(tǒng)通過調(diào)整針尖-樣品間距使得微懸臂的振動(dòng)幅度在掃描過程中保持不變，就可以得到樣品的表面形貌像。

原子力顯微鏡三種模式的比較

　　接觸模式：

　　優(yōu)點(diǎn)：掃描速度快，是唯yi能夠獲得“原子分辨率”圖像的原子力顯微鏡垂直方向上有明顯變化的質(zhì)硬樣品，有時(shí)更適于用接觸模式掃描成像。

　　缺點(diǎn)：橫向力影響圖像質(zhì)量。在空氣中，因?yàn)闃悠繁砻嫖揭簩拥拿?xì)作用，使針尖與樣品之間的粘著力很大。橫向力與粘著力的合力導(dǎo)致圖像空間分辨率降低，而且針尖刮擦樣品會(huì)損壞軟質(zhì)樣品(如生物樣品，聚合體等)。

　　非接觸模式：

　　優(yōu)點(diǎn)：沒有力作用于樣品表面。

　　缺點(diǎn)：由于針尖與樣品分離，橫向分辨率低;為了避免接觸吸附層而導(dǎo)致針尖膠粘，其掃描速度低于輕敲模式和接觸模式原子力顯微鏡。通常僅用于非常怕水的樣品，吸附液層必須薄，如果太厚，針尖會(huì)陷入液層，引起反饋不穩(wěn)，刮擦樣品。由于上述缺點(diǎn)，非接觸模式的使用受到限制。

　　輕敲模式：

　　優(yōu)點(diǎn)：很好的消除了橫向力的影響。降低了由吸附液層引起的力，圖像分辨率高，適于觀測軟、易碎、或膠粘性樣品，不會(huì)損傷其表面。

　　缺點(diǎn)：比接觸模式原子力顯微鏡的掃描速度慢。