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AFM原子力顯微鏡的幾種工作模式及比較

來(lái)源：時(shí)間：2024-11-07 09:42:05 瀏覽：5310次

AFM原子力顯微鏡的幾種工作模式及比較

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy, AFM）是一種具有高分辨率和高精度的掃描探針顯微術(shù)，它能夠通過(guò)探測(cè)樣品表面與探針之間的相互作用力來(lái)獲得表面的三維形貌和物理特性；AFM的工作模式多樣，不同的工作模式適用于不同的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。

一、接觸模式（Contact Mode）

接觸模式是最早開(kāi)發(fā)的AFM工作模式。在這種模式下，探針尖端與樣品表面保持接觸，并通過(guò)探針與樣品之間的相互作用力來(lái)維持恒定的偏置力；當(dāng)探針在樣品表面掃描時(shí)，懸臂梁的彎曲或振動(dòng)會(huì)被檢測(cè)器記錄下來(lái)，從而得到表面的形貌信息。

1. 工作原理：懸臂梁帶有探針，當(dāng)探針接觸樣品表面時(shí)，由于相互作用力，懸臂梁會(huì)發(fā)生彎曲；通過(guò)維持懸臂梁的彎曲恒定，可以保持探針與樣品之間的力恒定；懸臂梁的振動(dòng)被激光束檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換為表面形貌圖。

2. 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單易操作，成像速度快；分辨率高，適用于硬質(zhì)和相對(duì)平整的樣品。

3. 缺點(diǎn)：探針與樣品的接觸可能會(huì)對(duì)軟質(zhì)或易損傷的樣品造成損壞；在掃描過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生摩擦力，影響圖像質(zhì)量。

二、非接觸模式（Non-contact Mode）

非接觸模式也稱為輕敲模式（Tapping Mode），在這種模式下，探針尖端在樣品表面上方以一定的頻率振動(dòng)，并在不接觸樣品表面的情況下進(jìn)行掃描。

1. 工作原理：探針以一定的頻率和振幅在樣品表面上方振動(dòng)，當(dāng)探針接近樣品表面時(shí)，由于相互作用力的變化，振動(dòng)的振幅和相位會(huì)發(fā)生變化；通過(guò)檢測(cè)這些變化，可以得到樣品表面的形貌信息。

2. 優(yōu)點(diǎn)：減少了探針與樣品之間的摩擦和磨損，適用于軟質(zhì)或易損傷的樣品；提供了較高的成像分辨率和表面細(xì)節(jié)。

3. 缺點(diǎn)：成像速度相對(duì)較慢，對(duì)探針的質(zhì)量和操作技巧要求較高。

三、力調(diào)制模式（Force Modulation Mode）

力調(diào)制模式是一種在接觸模式下進(jìn)行的變體，它通過(guò)施加一個(gè)小的交流力來(lái)探測(cè)樣品的力學(xué)性質(zhì)。

1. 工作原理：在接觸模式下，探針尖端與樣品表面接觸，并施加一個(gè)小的交流力；通過(guò)檢測(cè)交流力引起的懸臂梁振動(dòng)的振幅和相位變化，可以得到樣品的彈性、粘彈性等力學(xué)信息。

2. 優(yōu)點(diǎn)：可以同時(shí)獲得樣品的形貌和力學(xué)性質(zhì)信息；適用于研究軟物質(zhì)和生物樣品的力學(xué)特性。

3. 缺點(diǎn)：對(duì)操作者的技術(shù)和儀器的要求較高；成像速度較慢。

四、液體環(huán)境下的AFM（Liquid AFM）

液體環(huán)境下的AFM是在常規(guī)AFM的基礎(chǔ)上，將樣品浸入液體中進(jìn)行的成像。

1. 工作原理：將樣品和探針浸入液體中，探針在液體環(huán)境中進(jìn)行掃描；通過(guò)探測(cè)探針與樣品之間的相互作用力，可以得到樣品在液體環(huán)境下的形貌和性質(zhì)。

2. 優(yōu)點(diǎn)：適用于研究生物樣品、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和液體界面現(xiàn)象；可以在接近生理環(huán)境的條件下進(jìn)行成像。

3. 缺點(diǎn)：液體環(huán)境下的成像控制較為復(fù)雜，液體中的布朗運(yùn)動(dòng)可能會(huì)影響成像質(zhì)量。

五、比較

接觸模式和非接觸模式的主要區(qū)別在于探針與樣品之間的接觸狀態(tài)；接觸模式適用于硬質(zhì)樣品，而非接觸模式適用于軟質(zhì)樣品；力調(diào)制模式在接觸模式的基礎(chǔ)上增加了力學(xué)性質(zhì)探測(cè)的功能，適用于需要了解樣品力學(xué)性質(zhì)的研究；液體環(huán)境下的AFM為研究生物樣品和液體界面現(xiàn)象提供了可能，但操作難度較大。

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