原子力显微镜的基本操作模式

在做原子力显微镜AFM测试时，科学指南针检测平台工作人员在与很多同学沟通中了解到，好多同学对AFM测试不太了解，针对此，科学指南针检测平台团队组织相关同事对网上海量知识进行整理，希望可以帮助到科研圈的伙伴们；

目前现有三种基本操作模式，可区分为接触式（contact）、非接触式（non-contact）及轻敲式（tapping）三大类。接触式及非接触式易受外界其它因素，如水分子的吸引，而造成刮伤材料表面及分辨率差所引起之影像失真问题，使用上会有限制，尤其在生物及高分子软性材料上。以下简单介绍三种基本形式的基本原理：

（1）接触式(Contactmode)：利用探针的针尖与待测物表面之原子力交互作用(一定要接触)，使非常软的探针臂产生偏折，此时用特殊微小的雷射光照射探针臂背面，被探针臂反射的雷射光以二相的photodiode(雷射光相位侦检器)来记录雷射光被探针臂偏移的变化，探针与样品间产生原子间的排斥力约为10-6至10-9牛顿。但是，由于探针与表面有接触，因此过大的作用力仍会损坏样品，尤其是对软性材质如高分子聚合物、细胞生物等。不过在较硬材料上通常会得到较佳的分辨率。

（2）非接触式(Non-contactmode)：为了解决接触式AFM可能损坏样品的缺点，便有非接触式AFM被发展出来，这是利用原子间的长距离吸引力─范德华力来运作。Non-contactmode的探针必需不与待测物表面接触，利用微弱的范德华力对探针的振幅改变来回馈。探针与样品的距离及探针振幅必需严格遵守范德华力原理，因此造成探针与样品的距离不能太远，探针振幅不能太大(约2至5nm)，扫描速度不能太快等限制。样品置放于大气环境下，湿度超过30%时，会有一层5至10nm厚的水分子膜覆盖于样品表面上，造成不易回馈或回馈错误。

（3）轻敲式AFM(Tappingmode)：将非接触式AFM加以改良，拉近探针与试片的距离，增加探针振幅功能(10～300KHz)，其作用力约为10-12牛顿，Tappingmode的探针有共振振动，探针振幅可调整而与材料表面有间歇性轻微跳动接触，探针在振荡至波谷时接触样品，由于样品的表面高低起伏，使得振幅改变，再利用回馈控制方式，便能取得高度影像。TappingmodeAFM的振幅可适当调整小至不受水分子膜干扰，大至不硬敲样品表面而损伤探针，XY面终极分辨率为2nm。TappingmodeAFM探针下压力量可视为一种弹性作用，不会对z方向造成永久性破坏。在xy方向，因探针是间歇性跳动接触，不会像对Contactmode在xy方向一直拖曳而造成永久性破坏。但由于高频率探针敲击，对很硬的样品，探针针尖可能受损。

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