原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM），一種可用來研究包括導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。它的橫向分辨率可達(dá)0.15m，而縱向分辨率可達(dá)0.05m，AFM最大的特點(diǎn)是可以測(cè)量表面原子之間的力，AFM可測(cè)量的最小力的量級(jí)為10-14 -10-16 N。AFM還可以測(cè)量表面的彈性，塑性、硬度、黏著力等性質(zhì) ，AFM還可以在真空，大氣或溶液下工作，也具有儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在材料研究中獲得了廣泛的研究。

 

它與其他顯微鏡相比有明顯不同，它用一個(gè)微小的探針來”摸索”微觀世界，AFM超越了光和電子波長(zhǎng)對(duì)顯微鏡分辨率的限制，在立體三維上觀察物質(zhì)的形貌，并能獲得探與樣品相互作用的信息，典型AFM的側(cè)向分辨率（x，y）可達(dá)到2nm，垂直分辯牢（方間）小于0。1mmAFM具有操作客易、樣品準(zhǔn)備簡(jiǎn)單、操作環(huán)境不受限制、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。

 

二、原子力顯微鏡的基本原理

AFM中為檢測(cè)出表面力而精細(xì)加工的感知杠桿使用了一端支撐的微小彈簧板。在感知杠桿的尖端有半徑幾十納米、非常尖的小探針，感知杠桿從試件表面受到探針的作用力變形。感知杠桿的彈性系數(shù)K一般為已知，通過用隧道電流或激光束偏移，來檢測(cè)感知杠桿在Z方向上的微小位移△Z，可知作用在探針一表面之的局力（F=K△Z）。一邊測(cè)定該力，一邊對(duì)試樣進(jìn)行機(jī)械的二維掃描，就能得到試樣表面力的二維像。為保持力的信號(hào)穩(wěn)定，一邊控制試樣Z方向的位置，一邊掃描試樣，記錄各點(diǎn)的移動(dòng)量，就可以得到三維的精細(xì)形貌像。

 

當(dāng)探針尖和試件表面的距離縮小到納米數(shù)量級(jí)時(shí)，探針尖端原子和試件表面原子間的相互作用力就顯示出來，由于原子間距離縮小產(chǎn)生相互作用，造成原子間的高度勢(shì)壘降低，使系統(tǒng)的總能量降低，于是二者之間產(chǎn)生吸引力（范德華力），如果兩原子間距離繼續(xù)減小接近到原子直徑量級(jí)時(shí)，由于兩原子間的電子云的不相容性，兩原子間的相互作用為排斥力（庫(kù)侖力），原子力顯微鏡就是通過檢測(cè)探針尖和試件表面原子間的相互作用力而進(jìn)行測(cè)量的。

 

針尖和樣品之間的作用力與距離有強(qiáng)烈的依賴關(guān)系，所以在掃描過程中利用反饋回路保持針尖和樣品之間的作用力恒定，即保持微懸臂的形變量不變，針尖就會(huì)隨表面的起伏上下移動(dòng)，記錄針尖上下運(yùn)動(dòng)的軌跡即可得到表面形貌的信息。

 

三、原子力顯微鏡的工作環(huán)境

 

原子力顯微鏡受工作環(huán)境限制較少，它可以在超高真空、氣相、液相和電化學(xué)的環(huán)境下操作。

 

1.真空環(huán)境：最早的掃描隧道顯微鏡（STA）研究是在超高真空下進(jìn)行操作的。后來，隨著AFM的出現(xiàn)，人們開始使用真空AFM研究固體表面。真空AFM避免了大氣中雜質(zhì)和水膜的干擾，但其操作較復(fù)雜。

 

2.氣相環(huán)境：在氣相環(huán)境中，AFM操作比較容易，它是廣泛采用的一種工作環(huán)境。因AFM操作不受樣品導(dǎo)電性的限制，它可在空氣中研究任何固體表面，氣相環(huán)境中AFM多受樣品表面水膜干擾。

 

3.液相環(huán)境：在液相環(huán)境中。AFM是把探針和樣品放在液池中工作，它可以在液相中研究樣品的形貌。液相中AFM消除了針尖和樣品之間的毛細(xì)現(xiàn)象，因此減少了針尖對(duì)樣品的總作用力，液相AFM的應(yīng)用十分廣闊，它包括生物體系、腐蝕或任一液固界面的研究。

 

4.電化學(xué)環(huán)境：正如超高真空系統(tǒng)一樣，電化學(xué)系統(tǒng)為AFM提供了另一種控制環(huán)境，電化學(xué)AFM是在原有AFM基礎(chǔ)上添加了電解雙恒電位儀和相應(yīng)的應(yīng)用軟件，電化學(xué)AFM可以現(xiàn)場(chǎng)研究電極的性質(zhì)，包括化學(xué)和電化學(xué)過程誘導(dǎo)的吸附、腐蝕以及有機(jī)和物分子在電極表面的沉積和形態(tài)變化等。