原子力显微镜

1. 基本原理：表面力感知。原子力显微镜的核心原理并非直接“看见”原子，而是通过感知一个极细微的探针尖端与样品表面之间的相互作用力，来间接描绘表面形貌。想象一下，你闭着眼睛，用一根极细的针的针尖轻轻扫过一个硬币的表面，你的手指能感觉到针尖划过凸起和凹陷时受到的阻力变化。AFM的工作原理与此类似，只不过其“针尖”是纳米尺度的，“手指”是能检测极其微小力的传感器。

2. 核心部件：微悬臂与探针。实现这一感知的关键部件是一个由硅或氮化硅制成的、长度约100-200微米的弹性微悬臂。在其自由端，连接着一个尖端曲率半径仅为纳米级别的尖锐探针。当探针接近样品表面时，会受到表面力（如范德华力）的作用。这个力会导致微悬臂发生极其微小的弯曲或偏转。

3. 力检测机制：光学杠杆法。如何测量这种纳米级的偏转？最常用的方法是光学杠杆法。一束激光从微悬臂的背面反射，照到一个位置敏感的光电检测器上。当微悬臂因受力发生偏转时，反射光斑在检测器上的位置也会移动。这种移动被光电检测器精确捕捉并转化为电信号。光点在检测器上移动1毫米，可能对应悬臂尖端实际位移不到0.1纳米，这种放大作用使得测量具有极高灵敏度。

4. 工作模式：接触、非接触与轻敲。根据探针与样品的作用方式，AFM主要有三种基本工作模式：

   • 接触模式：探针尖端始终与样品表面保持物理接触并扫描。通过直接测量悬臂的弯曲（对应排斥力）来成像。适用于硬质、平整的样品，但对柔软样品可能造成划伤或变形。
   • 非接触模式：探针在样品表面上方几到几十纳米处振动，不与表面接触。它检测的是长程的、微弱的吸引力（如范德华力）对振动频率或振幅的影响。对样品无损伤，但分辨率通常较低，且易受环境干扰。
   • 间歇接触/轻敲模式：这是最常用的模式。探针在其共振频率附近以较大振幅振荡，在每次振荡周期中，探针尖端短暂地“轻敲”样品表面。与表面的间歇接触会显著降低探针的振动振幅。通过监测振幅的减少量，并利用反馈系统保持振幅恒定，系统就能记录样品表面的起伏。此模式在较高分辨率和对柔软样品低破坏性之间取得了良好平衡。

5. 反馈与成像过程。在轻敲或接触模式中，系统会设定一个“设定点”（如期望的振幅或力）。在扫描过程中，压电陶瓷扫描器控制样品或探针在三维方向上精确移动。反馈电路实时比较检测信号与设定点，一旦有偏差（如探针遇到凸起导致振幅减小），立即调整压电陶瓷在垂直方向（Z轴）的伸缩，提升或降低样品/探针，使检测信号恢复到设定点。记录下这个Z轴的实时调整量，再结合探针在XY平面的扫描位置，就最终构建出了样品表面的三维形貌图像。

6. 能力与扩展。AFM不仅能获得原子级分辨率的表面拓扑图像，其探针还能作为操纵单原子/分子的工具。通过测量探针与表面距离与力的关系曲线，可以进行材料的力学性能（如弹性、粘附力）分析。此外，通过给探针或样品加电压，可扩展用于测量表面电势、导电性等电学性质。因此，AFM已成为纳米科技、材料科学、生命科学等领域不可或缺的表征与测量工具。