原子力顯微鏡(AFM)與掃描隧道顯微鏡(STM)Zda的差別在于并非利用電子隧穿效應(yīng)，而是檢測(cè)原子之間的接觸，原子鍵合，范德瓦耳斯力或卡西米爾效應(yīng)等來(lái)呈現(xiàn)樣品的表面特性。

原子力顯微鏡

　　1、原子力顯微鏡工作原理

　　原子力顯微鏡是一種類(lèi)似于掃描隧道顯微鏡的顯微技術(shù)，它們的主要不同點(diǎn)是掃描隧道顯微鏡檢測(cè)的是針尖和樣品間的隧道電流，而原子力顯微鏡檢測(cè)的是針尖和樣品間的力。

　　原子力顯微鏡不但可測(cè)樣品的表面形貌，達(dá)到接近原子分辨率，還可測(cè)量表面原子間的力，測(cè)量表面的彈性，塑性，硬度，粘著力，摩擦力等性質(zhì)。

　　2、原子力顯微鏡工作模式

　　在原子力顯微鏡成像模式中，根據(jù)針尖與樣品間作用力的不同性質(zhì)可分為：接觸模式，非接觸模式，輕敲模式。

　　①接觸成像模式：針尖在掃描過(guò)程中始終同樣品表面接觸。針尖和樣品間的相互作用力為接觸原子間電子的庫(kù)侖排斥力(其力大小為10^-8~10^-6N)。優(yōu)點(diǎn)為圖像穩(wěn)定，分辨率高，缺點(diǎn)為由于針尖和樣品間粘附力的作用等因素影響，可影響成像質(zhì)量。

　?、诜墙佑|成像模式：當(dāng)針尖在樣品表面掃描時(shí)，始終保持不與樣品表面接觸(一般保持5~20nm的距離)。在非接觸模式中， 針尖與樣品間的作用力是長(zhǎng)程力——范德華吸引力。由于針尖始終不與樣品表面接觸，因而避免了接觸模式中遇到的一些問(wèn)題。缺點(diǎn)是由于范德華力非常小，因此比接觸模式的分辨率較低，并且不適合于液體中成像。

　?、圯p敲成像模式：同非接觸模式相似， 在針尖掃描過(guò)程中，微懸臂也是振蕩的，其振幅比非接觸模式更大，同時(shí)針尖在振蕩時(shí)間斷地與樣品接觸。優(yōu)點(diǎn)是分辨率高(近乎等同接觸模式);可應(yīng)用于柔軟、易碎和粘附性樣品;由于作用力是垂直的，材料表面受橫向摩擦力、壓縮力、剪切力的影響較小。

　　3、原子力顯微鏡的應(yīng)用

　　由于原子力顯微鏡對(duì)所分析樣品的導(dǎo)電性無(wú)要求，因此使其在諸多材料領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。原子力顯微鏡可作為納米級(jí)的“壓痕器”，用來(lái)測(cè)量材料的彈性、塑性、硬度等性質(zhì)。

掃描隧道顯微鏡

　　1、掃描隧道顯微鏡工作原理

　　掃描隧道顯微鏡的基本原理是將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近(通常小于1nm)時(shí)，在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過(guò)兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘流向另一電極。

　　尖銳金屬探針在樣品表面掃描，利用針尖-樣品間納米間隙的量子隧道效應(yīng)引起隧道電流與間隙大小呈指數(shù)關(guān)系，獲得原子級(jí)樣品表面形貌特征圖象。

　　2、掃描隧道顯微鏡工作模式

　　根據(jù)針尖與樣品間相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式的不同，掃描隧道顯微鏡有兩種工作模式：恒電流模式和恒高模式。

　　恒電流模式：掃描時(shí)，在偏壓不變的情況下，始終保持隧道電流恒定。

　　恒高模式：始終控制針尖在樣品表面某一水平高度上掃描，隨樣品表面高低起伏，隧道電流不斷變化。所得到的掃描隧道顯微鏡圖像不僅勾畫(huà)出樣品表面原子的幾何結(jié)構(gòu)，而且還反映了原子的電子結(jié)構(gòu)特征。

　　恒電流模式是掃描隧道顯微鏡Z常用的一種工作模式。以恒電流模式工作時(shí)，由于STM的針尖是隨著樣品表面的起伏而上下運(yùn)動(dòng)，因此不會(huì)因表面起伏太大而碰撞到樣品表面，所以恒電流模式適于觀察表面起伏較大的樣品。

　　恒高模式工作時(shí)，由于針尖的高度恒定不變，所以?xún)H適用于觀察表面起伏不大的樣品。但在恒高模式下工作，獲取掃描隧道顯微鏡圖像快，且能有效地減少噪音和熱漂移對(duì)隧道電流的干擾，提高分辨率。

　　3、掃描隧道顯微鏡特點(diǎn)

　　與TEM、SEM等分析技術(shù)相比，掃描隧道顯微鏡具有如下特點(diǎn)：

　?、賿呙杷淼里@微鏡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

　?、谄鋵?shí)驗(yàn)可在多種環(huán)境中進(jìn)行：如大氣、超高真空或液體(包括在絕緣液體和電解液中)。

　　③工作溫度范圍較寬，可在mK到1100K范圍內(nèi)變化。這是目前任何一種顯微技術(shù)都不能同時(shí)做到的。

　?、芊直媛矢撸瑨呙杷淼里@微鏡在水平和垂直分辨率可以分別達(dá)到0.1nm和0.01nm。因此可直接觀察到材料表面的單個(gè)原子和原子在材料表面上的三維結(jié)構(gòu)圖像。

　?、菰谟^測(cè)材料表面結(jié)構(gòu)的同時(shí)，可得到材料表面的掃描隧道譜(STS)，從而可以研究材料表面化學(xué)結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài)。

　?、薏荒芴綔y(cè)深層信息，無(wú)法直接觀察絕緣體。

　　4、掃描隧道顯微鏡應(yīng)用

　　利用掃描隧道顯微鏡可直接觀測(cè)材料表面原子是否具有周期性的表面結(jié)構(gòu)特征，表面的重構(gòu)和結(jié)構(gòu)缺陷等。

原子力顯微鏡與掃描隧道顯微鏡的區(qū)別

　　掃描隧道顯微鏡的一個(gè)主要缺點(diǎn)是樣品必須具有導(dǎo)電性，如果沒(méi)有的話就不能產(chǎn)生隧穿電流，從而導(dǎo)致無(wú)法觀察。掃描隧道顯微鏡的發(fā)明激發(fā)了一系列基于類(lèi)似技術(shù)方案的顯微術(shù)，原子力顯微鏡就是其中之一，但原子力顯微鏡并不要求樣品必須導(dǎo)電。

　　與掃描隧道顯微鏡一樣，原子力顯微鏡也有微小的探針，這個(gè)小的探針在材料的表面掃描，由于它距離材料表面很近，所以能感受到材料表面對(duì)探針的微弱的力的作用，與探針相連的微小的懸臂在力的作用下會(huì)發(fā)生方位的改變，這會(huì)使照射在懸臂上的激光光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，計(jì)算機(jī)可以收集并處理這些偏轉(zhuǎn)的光信號(hào)，并合成材料表面的形貌。

　　原子力顯微鏡比掃描隧道顯微鏡更便宜實(shí)用，目前在實(shí)驗(yàn)室里應(yīng)用的很廣泛。它的分辨率Z小可以達(dá)到幾埃(或幾個(gè)原子的大小)，比掃描隧道顯微鏡要差一些，但要比光學(xué)顯微術(shù)強(qiáng)多了。通過(guò)使用不同的探針，原子力顯微鏡還可以探測(cè)壓電/鐵電，甚至鐵磁結(jié)構(gòu)。