一些同學在做AFM測試的時候，可能會對AFM有各種各樣的疑問，今天鑠思百檢測直接整理好AFM測試的相關知識，希望能幫到同學們。
AFM全稱Atomic Force Microscope，即原子力顯微鏡，它是繼掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope）之後發明的一種具有原子級高分辨的新型儀器，可以在大氣和液體環境下對各種材料和樣品進行奈米區域的物理性質包括形貌進行探測，或者直接進行奈米操縱；現已廣泛應用於半導體、奈米功能材料、生物、化工、食品、醫藥研究和科研院所各種奈米相關學科的研究實驗等領域中，成為奈米科學研究的基本工具。
原子顯微鏡的工作原理
它是用微小探針“摸索”樣品表面來獲得資訊，當針尖接近樣品時，針尖受到力的作用使懸臂發生偏轉或振幅改變。懸臂的這種變化經檢測系統檢測後轉變成電訊號傳遞給反饋系統和成像系統，記錄掃描過程中一系列探針變化就可以獲得樣品表面資訊影象。
原子力顯微鏡有四種基本成像模式，它們分別是接觸式(Contact mode)、非接觸式(noncontact mode)、敲擊式(tapping mode)和升降式(lift mode)。
1. 接觸成像模式
在接觸式AFM中，探針與樣品表面進行“軟接觸”。當探針逐漸靠近樣品表面時，探針表面原子與樣品表面原子首先相互吸引，一直到原子間電子雲開始相互靜電排斥。
這種靜電排斥隨探針與樣品表面原子進一步靠近，逐漸抵消原子間的吸引力。當原子間距離小於1nm，約為化學鍵長時，範德華力為0。當合力為正值(排斥)時，原子相互接觸。由於在接觸區域範德華力曲線斜率很高，範德華斥力幾乎抵消了使探針進一步靠近樣品表面原子的推力。當探針彈性係數很小時，懸臂發生彎曲。透過檢測這種彎曲就可以進行樣品形貌觀察。假如設計很大彈性係數的硬探針給樣品表面施加很大的作用力，探針就會使樣品表面產生形變或破壞樣品表面。這時就可以得到樣品力學資訊或對樣品表面進行修飾。
2. 非接觸成像模式
非接觸式AFM中，探針以特定的頻率在樣品表面附近振動。探針和樣品表面距離在幾奈米到數十奈米之間。這一距離範圍在範德華力曲線上位於非接觸區域。在非接觸區域，探針和樣品表面所受的總力很小，通常在10-12N左右。在非接觸式AFM中，探針以接近於其自身共振頻率 (一般為100kHz到400kHz)及幾奈米到數十奈米的振幅振動。當探針接近樣品表面時，探針共振頻率或振幅發生變化檢測器檢測到這種變化後，把訊號傳遞給反饋系統，然後反饋控制迴路透過移動掃描器來保持探針共振頻率或振幅恆定，進而使探針與樣品表面平均距離恆定，計算機透過記錄掃描器的移動獲得樣品表面形貌圖。
3. 敲擊成像模式
敲擊式AFM與非接觸式AFM比較相似，但它比非接觸式AFM有更近的樣品與針尖距離。和非接觸式AFM一樣，在敲擊模式中，一種恆定的驅動力使探針懸臂以一定的頻率振動(一般為幾百千赫)。振動的振幅可以透過檢測系統檢測。當針尖剛接觸到樣品時，懸臂振幅會減少到某一數值。在掃描樣品的過程中，反饋迴路維持懸臂振幅在這一數值恆定。當針尖掃描到樣品突出區域時。懸臂共振受到阻礙變大，振幅隨之減小。相反，當針尖透過樣品凹陷區域時，懸臀振動受到的阻力減小，振幅隨之增加。懸臂振幅的變化經檢測器檢測並輸入控制器後，反饋迴路調節針尖和樣品的距離，使懸臂振幅保持恆定。反饋調節是靠改變Z方向上壓電陶瓷管電壓完成的。當針尖掃描樣品時，透過記錄壓電陶瓷管的移動就得到樣品表面形貌圖。敲擊式AFM有效防止了樣品對針尖的粘滯現象和針尖對樣品的損壞。
應用
1. 形貌觀察：AFM可以對樣品表面形態、奈米結構、鏈構象等方面進行研究。
2. AFM在高分子科學方面的應用
(1) 高分子表面形貌和奈米結構的研究
高分子的形貌可以透過接觸式AFM、敲擊式AFM來研究。接觸式AFM研究形貌的解析度與針尖和樣品接觸面積有關。一般來說，針尖與樣品的接觸尺寸為幾奈米，接觸面積可以透過調節針尖與樣品接觸力來改變，接觸力越小，接觸面積就越小；同時也減少了針尖對樣品的破壞。為了獲得高分辨高分子影象，人們用各種方法來對樣品進行微力檢測。
(2) AFM對高分子材料奈米機械效能的研究
掃描探針技術是研究高分子材料奈米範圍機械效能的強有力工具。在接觸式AFM中，以不同的力掃描樣品可以得到樣品機械效能的資訊。高分子材料彈性模量的變化範圍從幾MPa到幾GPa，這就需要根據樣品的不同性質來選樣低力或高力對樣品成像。在水中拉伸PE條帶施加不同力時獲得的樣品變形影象。在強力掃描樣品時，可以看到沿纖維走向有以25nm為週期的明暗變化。
(3) 高分子組分分佈研究
許多高分子材料由不均一相組成，因此研究相的分佈可以給出高分子材料許多重要的資訊。可以觀察膜表面的形貌和相分離，研究高聚物表面性能：比如表徵材料表面粗糙度，研究共混物相分離”海島“結構，測量材料表面的奈米摩擦力。或者分析高聚物結晶形態，研究水膠乳成膜過程。也可以研究單鏈高分子結構，表徵高分子鏈構象，研究高分子單鏈效能，及研究高聚物與奈米顆粒的相互作用等等。
3. AFM在生物大分子中的應用
AFM同樣是研究生物大分子強有力的工具。生物大分子不同於一般高分子聚合物。它在生物體中多以單個分子存在，因此容易得到單個分子的形貌影象，單個生物分子的三維形貌及動力學性質研究對解釋生命現象有不可估量的作用。如今人們用AFM研究各種生物分子，如DNA、蛋白質、抗原抗體分子及其他一些重要分子。
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