原子力顯微鏡Z早是由IBM公司蘇黎世研究ZX的格爾德·賓寧于1986年所發(fā)明的，原于力顯微鏡是一種利用原子分子間的相互作用力來觀察物體表面微觀形貌的新型實驗技術。因為原子力顯微鏡具有原子級別分辨率，被廣泛應用于納米尺寸及生命科學領域。

原子力顯微鏡常見的工作模式

　　根據樣品與針尖之間的接觸情況，原子力顯微鏡有3種不同的工作模式：接觸式，輕敲式和非接觸式。Z常用的是接觸式的輕敲模式原子力顯微鏡。

　　1、接觸模式原子力顯微鏡

　　在接觸模式原子力顯微鏡中，針尖始終與樣品接觸，樣品掃描時，針尖在樣品表面上滑動，針尖-樣品間的相互作用力是兩者原子間存在的庫侖排斥力。

　　接觸模式原子力顯微鏡通常產生穩(wěn)定、高分辯圖像。但它在研究低彈性模量的樣品時也存在一些缺陷。探針在樣品表面上的移動以及針尖-表面間的粘附力有可能使樣品產生一定程度的變形，并會損壞探針，從而影響圖像的質量和真實性。

　　2、非接觸式原子力顯微鏡

　　非接觸式原子力顯微鏡對應的針尖-樣品間距在幾到幾十納米的吸引力區(qū)域，針尖-樣品作用力比接觸式的小幾個數量級，因此直接測量力的大小比較困難。

　　非接觸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動微懸臂，當針尖接近樣品表面時，微懸臂的振幅顯著減小。振幅的變化量對應于作用在微懸臂上的力梯度，因此對應于針尖-樣品間距。反饋系統(tǒng)通過調整針尖-樣品間距使得微懸臂的振幅在掃描過程中保持不變，就可以得到樣品的表面形貌像。

　　但是非接觸原子力顯微鏡由于針尖-樣品距離較大，因此分辯力比接觸式的低。在非接觸模式中，針尖與樣品間的作用力是很小的，這時研究柔軟的或有彈性的表面很適合。非接觸模式有另外一個優(yōu)點的針尖始終不與樣品表面接觸，因而針尖不會對樣品造成污染。此模式的操作相對難些，其應用也比較少。

　　3、輕敲模式原子力顯微鏡

　　輕敲模式原子力顯微鏡是介于接觸模式和非接觸模式之間的一種工作模式。掃描過程中在共振頻率附近以更大的振幅(>20nm)驅動微懸臂，使得針尖與樣品表面間斷地接觸。當針尖沒有接觸到表面時，微懸臂以一定的大振幅振動，當針尖接近表面直至輕輕接觸表面時，其振幅將減小;而當針尖反向遠離表面時，振幅又恢復到原先的大小。反饋系統(tǒng)根據檢測該振幅，不斷調整針尖-樣品之間的距離來控制微懸臂的振幅，使得作用在樣品上的力保持恒定。由于針尖同樣品接觸，分辯力幾乎同接觸式同樣好;又因為接觸非常短暫，剪切力引起的對樣品的破壞幾乎完全消失。

　　輕敲模式原子力顯微鏡適合于分析研究柔軟、針尖和脆性的樣品。在輕敲模式原子力顯微鏡中，微懸臂是振蕩的并具有較大的振幅，針尖在振蕩周期是間斷地與樣品接觸。由于針尖與樣品接觸，分辯率通常與接觸模式可比，但因為接觸是短暫的，就大大降低了對樣品的損傷，很適合用于生物分子的成像。

輕敲模式原子力顯微鏡的優(yōu)越性

　　與輕敲模式原子力顯微鏡相比，接觸模式原子力顯微鏡的分辨率相對要高一些，但輕敲模式原子力顯微鏡有其突出的優(yōu)點。它在一定程度上減小樣品對針尖的粘滯現象，因為針尖與樣品表面接觸時，利用其振幅來克服針尖一樣品問的粘附力。并且由于輕敲模式原子力顯微鏡作用力是垂直的，表面材料受橫向摩擦力和剪切力的影響都比較小，減小掃描過程中針尖對樣品的損壞。所以對于較軟以及粘性較大的樣品，盡量選用輕敲模式原子力顯微鏡。

　　輕敲模式原子力顯微鏡，可以同時采集高度信息和相位信息，在得到形貌圖的同時，通過相檢測系統(tǒng)可以同時得到相圖。同一般檢測系統(tǒng)一樣，相檢測用懸臂反射或振幅變化來采集形貌圖，與此同時，通過監(jiān)測相位差的變化來獲得樣品表面相分布和性質信息。

　　輕敲模式原子力顯微鏡的相檢測是指監(jiān)測驅使懸臂振動的輸入信號與懸臂振動的輸出信號的相位差，相位差的改變是樣品表面組分、摩擦、粘彈性和其他性質的綜合反映，所以判斷起來比較復雜。并且由于樣品表面總有一定的高低起伏，所以相位圖在采集信息時，樣品起伏的邊界上相位差也會有所改變，并在相位圖上反應出來。因此相位圖反應的不僅僅是材料相位的變化，也有部分的形貌信息。甚至在有些樣品測試中，相位圖比形貌圖反應邊界更為直觀。但總體來說相位圖對于識別復合材料中的不同組分以及表面粘性或硬度不同的區(qū)域是非常有效的。