原子力顯微鏡（AFM）可能很多人都聽(tīng)過(guò)，一種相對(duì)比較高級(jí)的掃描探針顯微鏡，對(duì)于材料表面形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析測(cè)試的有效手段之一，利用AFM可以直接觀察到物質(zhì)的分子和原子，并以非常清楚的圖像呈現(xiàn)在觀察者的眼前。那么AFM的是怎么樣工作的呢？具體又有哪些應(yīng)用呢？下面就小編就這些問(wèn)題給您說(shuō)說(shuō)。

    一、AFM的測(cè)試原理

    測(cè)試的原理圖如下所示，當(dāng)探針在材料表面掃描的時(shí)候，樣品與表面原子之間的斥力會(huì)使得微懸臂輕微變形，這樣微小的變形可以通過(guò)檢測(cè)器精確測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)了通過(guò)探針與材料表面原子斥力來(lái)得到材料表面形貌和結(jié)構(gòu)的信息。

    二、工作方式

    目前AFM的工作方式有三種，分別是接觸模式，非接觸模式和敲擊模式。

    接觸模式：

    就是利用探針與材料表面直接接觸來(lái)獲得材料結(jié)構(gòu)和形貌信息的方式，這樣的方式測(cè)試出來(lái)的圖像分別率高，但是很容易損傷測(cè)試材料的表面，探針也會(huì)受到材料的污染，同時(shí)可能會(huì)因?yàn)樘结樑c材料表面的粘滯力造成圖像失真；

    非接觸式：

    顧名思義就是探針與材料表面沒(méi)有直接接觸，這樣的方式就避免了接觸模式的一些缺點(diǎn)，探針也不會(huì)受到污染，但是由于探針和材料表面不是直接接觸的（相距5-10nm），探針和材料表面的原子的作用力較弱，造成了圖像的分辨率較低，而且會(huì)因?yàn)椴牧系谋砻鎻埩κ沟脠D像變形；

    敲擊模式：

    這是一種較為先進(jìn)的測(cè)試模式，和上述兩種方式都不一樣，就是探針既不是直接接觸材料表面，也不是完全脫離表面，而是通過(guò)探針不斷垂直敲擊（大約每秒5×104-50×104次）材料的表面來(lái)獲得我們所想要的材料表面形貌和結(jié)構(gòu)的信息，這樣就既不會(huì)損壞材料表面也會(huì)得到較高分辨率（當(dāng)然還是沒(méi)有接觸模式圖像分辨率高），因此當(dāng)檢測(cè)柔嫩的樣品時(shí)，AFM的敲擊模式是最好的選擇之一。但是測(cè)試的速度相對(duì)較慢。

    三、材料領(lǐng)域的應(yīng)用

    1、材料形貌

    AFM在水平方向具有0.1-0.2nm的高分辨率，在垂直方向的分辨率約為0.01nm.AFM對(duì)表面整體圖像進(jìn)行分析可得到樣品表面的粗糙度、顆粒度、平均梯度、孔結(jié)構(gòu)和孔徑分布等參數(shù)，還可以對(duì)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行三維模擬，得到更加直觀的3D圖像。

    AFM還可以在分子或原子水平直接觀察晶體或非晶體的形貌、缺陷、空位能、聚集能及各種力的相互作用，對(duì)于其性能的預(yù)測(cè)及解釋有著重要的作用。

    AFM中雖然不能進(jìn)行元素分析，但它在Phase Image模式下可以根據(jù)材料的某些物理性能的不同來(lái)提供成分的信息

    2、晶體生長(zhǎng)機(jī)理

    在研究納米晶生長(zhǎng)機(jī)理的時(shí)候，人們希望用顯微手段直接觀察到晶面生長(zhǎng)的過(guò)程，AFM為我們提供了在一個(gè)原子級(jí)觀測(cè)研究晶體生長(zhǎng)界面過(guò)程的全新有效工具。由于AFM的工作條件要求低，它可以晶體生長(zhǎng)過(guò)程原子級(jí)的圖像，為完善和修正現(xiàn)有的晶體生長(zhǎng)理論提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

    四、與掃描電鏡的區(qū)別

    可能有的人會(huì)問(wèn)了，既然是測(cè)試材料表面的結(jié)構(gòu)與形貌，SEM也是可以的，但是這二者的區(qū)別又在哪呢？

    不同于SEM只能提供二維圖像，AFM提供真正的三維表面圖。同時(shí)，AFM不需要對(duì)樣品的任何特殊處理，如鍍銅或碳，這種處理對(duì)樣品會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。其次，SEM需要運(yùn)行在高真空條件下，AFM在常壓下甚至在液體環(huán)境下都可以良好工作。這樣可以用來(lái)研究生物宏觀分子，甚至活的生物組織。和SEM相比，AFM的缺點(diǎn)在于成像范圍太小，速度慢，受探頭的影響太大。當(dāng)然二者的工作原理也是不同的，SEM是利用電子與物質(zhì)的相互作用。

圖 附著納米顆粒的碳納米管AFM圖

圖 附著納米顆粒的碳納米管SEM圖

    小結(jié)：

    總之，AFM很強(qiáng)大，可以克服許多電鏡測(cè)試中的很多缺點(diǎn)，為材料的科學(xué)的研究提供了強(qiáng)大的工具和手段，促使材料科學(xué)朝著更加快速、正確的方向去發(fā)展。可能在各位材料人的科研生涯中會(huì)經(jīng)常用到哦！