原子力显微镜（AFM） 基本概念与工作原理 ：原子力显微镜是一种用于表面形貌和物理性质表征的扫描探针显微镜。其核心原理是探测一个尖锐的探针针尖与样品表面之间的极微弱的相互作用力（典型为10⁻¹² 到 10⁻⁶ 牛顿）。这个力会导致一个极其灵敏的弹性微悬臂梁发生弯曲或振幅、频率变化。通过测量这些变化，并配合高精度的三维扫描控制系统，可以重构出样品表面的形貌图像。 核心组件详解 ： 探针与微悬臂梁 ：通常由硅或氮化硅制成，尖端曲率半径可达纳米级。微悬臂梁具有特定的弹性常数和共振频率，其背面通常镀有金属反射层以反射激光。 力检测系统 ：主要由激光二极管和位置敏感光电探测器组成。激光束聚焦在微悬臂梁背面并反射至四象限PSD上。微悬臂梁的任何微小偏转都会导致反射光斑在PSD上的位置发生移动，从而精确转换为力的信号。 扫描器 ：采用压电陶瓷管或三维独立压电陶瓷扫描器，能够在X、Y、Z三个方向进行亚埃级精度的移动，实现样品或探针的精确扫描。 反馈控制系统 ：这是AFM模式运行的关键。它实时比较从PSD获得的“实际作用力”信号与操作者预设的“设定点”力值。通过PID控制算法，驱动Z向压电陶瓷伸缩，以在扫描过程中维持作用力恒定。 主要操作模式 ： 接触模式 ：针尖与样品表面直接接触（存在斥力），通过保持悬臂梁偏转量（即力）恒定来进行扫描。分辨率高，但可能对软样品造成损伤或引起形变。 非接触模式 ：针尖在样品表面上方（数纳米到数十纳米）以接近其共振频率的频率振动。通过探测表面力梯度引起的振幅、频率或相位变化来成像。对样品几乎无损伤，但分辨率通常低于接触模式。 轻敲模式（间歇接触模式） ：探针在其共振频率附近以较大振幅振动，在每次振荡周期中短暂地“轻敲”样品表面。它结合了接触模式的高分辨率和非接触模式对软样品的低损伤特性，是应用最广泛的模式之一。 成像与进阶功能 ： 形貌成像 ：通过反馈系统记录的Z向压电陶瓷驱动电压，直接绘制出样品表面的三维高度图。 侧向力/摩擦力成像 ：在接触模式下，同时检测PSD水平方向的信号，可映射表面的摩擦力分布。 力-距离曲线测量 ：控制探针在样品表面某一点进行垂直方向的逼近、接触和收回，记录悬臂偏转与Z位置的关系曲线。通过分析曲线的不同阶段（非接触、接触、粘附、脱离），可以定量测量局部的力学性质（如弹性模量、粘附力）、表面电荷、分子间作用力等。 其它模式 ：通过功能化修饰的探针，可以扩展测量磁力（MFM）、静电力（EFM）、表面电势（KPM）、导电性（导电AFM）以及特定分子间的相互作用力（单分子力谱）等。 技术特点与应用领域 ： 特点 ：分辨率高（横向可达纳米级，纵向可达亚埃级），可在大气、液体和真空等多种环境下工作，能对导体、半导体、绝缘体乃至生物大分子等多种样品进行成像和测量。 局限性 ：扫描速度相对较慢（受机械谐振频率限制），单次扫描范围有限（通常数百微米以内），图像可能受针尖几何形状的影响（针尖卷积效应）。 应用 ：广泛应用于材料科学（纳米材料表征、薄膜分析）、半导体工业（表面粗糙度、缺陷检测）、生命科学（细胞、蛋白质、DNA结构观测）、聚合物科学以及纳米摩擦学等领域，是纳米科技中不可或缺的表征工具。