原子力顯微鏡，簡稱AFM，是一種可以用來研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器，憑借其納米級分辨率的特點廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)，成為研究生物醫(yī)學(xué)樣品和生物大分子的重要工具之一。

原子力顯微鏡原理

　　原子力顯微鏡將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸，由于針尖原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，通過在掃描時控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運動。原子力顯微鏡利用光學(xué)檢測法或隧道電流檢測法，可測得微懸臂對應(yīng)于掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。

原子力顯微鏡結(jié)構(gòu)

　　原子力顯微鏡是一種利用原子、分子間的相互作用力觀察物體表面微觀形貌的新型實驗技術(shù)。它有一根納米級的探針，被固定在可靈敏操控的微米級彈性懸臂上，當(dāng)探針靠近樣品時，其頂端的原子與樣品表面原子間的作用力會使懸臂彎曲，偏離原來的位置。根據(jù)掃描樣品時探針的偏離量或振動頻率重建三維圖像，就能間接獲得樣品表面的形貌或原子成分。

　　力檢測部分：使用微小懸臂可檢測原子之間的范德華力變化量。原子力顯微鏡微懸臂通常由一個100～500um長和0.5～5 um厚的硅片或氮化硅片制成，微懸臂頂端有一個尖銳針尖，用來檢測樣品與針尖間的相互作用力。微懸臂有一定的規(guī)格，如長度、寬度、彈性系數(shù)以及針尖的形狀。實驗中，依照樣品的特性、實驗操作模式選擇不同規(guī)格的探針。

　　位置檢測部分：當(dāng)原子力顯微鏡針尖與樣品之間有了相互作用之后，會使得微懸臂擺動，照射在微懸臂的末端的激光束，其反射光的位置也會因為懸臂擺動而有所改變，激光光斑位置檢測器將偏移量記錄下來并轉(zhuǎn)換成電信號。

　　反饋系統(tǒng)：在反饋系統(tǒng)中會將電信號當(dāng)作反饋信號，驅(qū)使由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當(dāng)移動，以保持樣品與針尖之間的作用力恒定。原子力顯微鏡系統(tǒng)使用壓電陶瓷管制作的掃描器精確控制微小的掃描移動。壓電陶瓷是一種性能奇特的材料，當(dāng)在壓電陶瓷對稱的兩個端面加上電壓時，壓電陶瓷會按特定的方向伸長或縮短。而伸長或縮短的尺寸與所加電壓的大小呈線性關(guān)系。也就是說，可以通過改變電壓控制壓電陶瓷的微小伸縮。通常把三個分別代表X、Y、Z方向的壓電陶瓷塊組成三角架的形狀，通過控制X、Y方向伸縮達(dá)到驅(qū)動探針在樣品表面掃描的目的;通過控制Z方向壓電陶瓷的伸縮達(dá)到控制探針與樣品之間距離的目的。

　　原子力顯微鏡系統(tǒng)檢測成像全過程中，探針和被測樣品間的距離始終保持在納米量級，距離太大不能獲得樣品表面的信息，距離太小會損傷探針和被測樣品;反饋回路的作用就是在工作過程中，由探針得到探針與樣品相互作用的強度，來改變加在樣品掃描器垂直方向的電壓，從而使樣品伸縮，調(diào)節(jié)探針和被測樣品間的距離，反過來控制探針一樣品相互作用的強度，實現(xiàn)反饋控制。因此，反饋控制是本系統(tǒng)的核心工作機制。原子力顯微鏡系統(tǒng)采用數(shù)字反饋控制回路，用戶在控制軟件的參數(shù)工具欄通過參考電流、積分增益和比例增益等幾個參數(shù)的設(shè)置對該反饋回路的特性進(jìn)行控制。

原子力顯微鏡特點

　　原子力顯微鏡優(yōu)點：

　　1、制樣相對簡單，多數(shù)情況下對樣品不破壞;

　　2、具有高分辨率，三維立體的成像能力;

　　3、常壓下甚至在液體環(huán)境下都可以良好工作。

　　原子力顯微鏡缺點：

　　1、掃描范圍較小與SEM相比，原子力顯微鏡成像范圍小，容易將局部的、特殊的結(jié)果當(dāng)作整體的結(jié)果而分析，以及使實驗結(jié)果缺乏重現(xiàn)性。

　　2、受樣品因素限制較大由于分辨率很高，使得在樣品制備過程中產(chǎn)生的或者是從背景噪音中產(chǎn)生的極小贗像都能夠被檢測、觀察到，產(chǎn)生贗像。

　　3、原子力顯微鏡針尖易磨鈍或受污染磨損無法修復(fù)，污染清洗困難。