什么是原子力显微镜(AFM)?

原子力显微镜，或AFM，是一种高分辨率的扫描探针显微镜，它在光栅运动中使用锋利的尖端来测量和可视化原子和纳米尺度的材料。本概述将作为原子力显微镜的介绍。

显微镜是帮助我们看到肉眼看不到的东西的工具，源自古希腊语“mikrós”小和“skopein”去找。AFM使用多种技术，也被称为测量模式，分析范围从纳米以下(<1 nm) (0.5 nm是原子的平均尺寸)到1微米(也被称为微米)的样品。为了感受纳米和原子尺度有多小，想象一下——网球之于地球就像原子之于网球:

AFM通过“感觉”表面来收集信息，很像手指，但规模小得多。它使用一个尖端非常锋利的微型探针来感知力的微小变化。这个简单而聪明的想法在20世纪80年代初被发明出来，并很快在1986年获得了诺贝尔奖。

原子力显微镜的用途

虽然最常用于可视化小范围结构AFM在测量局部电学、机械和其他材料性能方面也很有价值。此外，它适用于广泛的材料，包括导电和绝缘，透明和不透明，软和硬，等等。

因此，AFM已经成为应用于整个研发光谱的“首选”工具-从分子和细胞生物学的基础研究，自下而上万博电脑网页版登录的组装，和二维材料用于微电子、塑料和橡胶以及能源储存和发电设备的工业工作。下面的应用程序字段说明了AFM的功能和多功能性(点击下面的AFM图像了解更多信息)。

这些资源描述了AFM如何用于特定的应用:万博电脑网页版登录

AFM在万博电脑网页版登录高分子科学与工程中的应用白皮书

二维材料的AFM表征白皮书

食品研究中的AFM白皮书

利用高分辨率AFM成像技术推进病毒学研究白皮书

新兴光伏的AFM表征网络研讨会

薄膜分析的AFM技术网络研讨会

原子力显微镜是如何工作的

原子力显微镜是用一种叫做原子力显微镜(AFM)的仪器进行测量的。AFM有三个子系统分别执行:

1）传感，2）检测,3）定位

——加上协调这些功能的控制器电子设备。

AFM传感器被称为悬臂，在自由端附近有一个小而尖的尖端。当足够接近样品时，尖端受到样品表面力的影响。这导致尖端移动，进而导致整个悬臂弯曲。用激光和光电探测器(一种将光转换为电信号的装置)来检测悬臂的弯曲或偏转。被称为压电执行器的定位硬件被用来改变悬臂和样品在三维空间中的相对位置。

地形成像

AFM测量最常见的类型是在信号中创建空间变化的图像，特别是地形(高度)。使用定位器扫描整个样本的尖端并检测数据点的2D地图获得图像。

地形图像使许多自然和合成的小尺度结构可视化，如rna、半微粒、纳米颗粒、晶体管等。对于表征从自组装单层和低维材料到薄膜和大块样品的表面，它们也是无价的。在这里，可以获得粗糙度、缺陷、非晶态和结晶相以及薄膜成核和生长的信息。

除了提供3D图像，地形测量中的定量数据还可以快速分析，以获得优点的数字(例如，平均粗糙度)Sa)进行过程控制或其他比较。成像还可以在各种环境条件和扫描速度下进行，如下面的示例所示。其他工具，如扫描电子显微镜(SEM)和轮廓术也经常用于这些类型的测量，尽管没有提供像AFM那样详细的测量。了解更多关于表面粗糙度测量工具之间的差异．

除了地形

AFM力传感概念还可以测量局部物理性质，包括电、机械、功能和摩擦学性质。这些测量往往提供了仅靠地形成像无法获得的有价值的信息。

Nanoelectrical表征

例如，从太阳能电池到非易失性存储器和数据存储的功能特性-电气、机电和相关行为-影响应用。万博电脑网页版登录随着设备的缩小，这些特性必须在越来越小的长度尺度上进行评估。一些AFM模式已经被开发出来，通过感知静电、磁性和其他尖端-样品相互作用来询问纳米尺度上的功能行为。这些模式提供的信息可以帮助评估一致性，识别缺陷，以及保证质量。此外，它经常补充和丰富来自探测站的数据，探测站测试整个设备。

纳米机械特性

在其他应用中，机械万博电脑网页版登录和摩擦学性能对性能和可靠性至关重要。AFM对低力的敏感性使机械测量具有比其他方法更高的垂直和横向分辨率。

力曲线是进行定量纳米力学测量的经典方法。它们最适用于软质生物和高分子材料，甚至可以测量单个分子的键断裂强度。力曲线是通过使尖端进入和返回脱离接触的样品在一个固定的位置。一个二维的力曲线阵列被称为力图或力体积，并产生不同性质的多个图像(弹性模量，附着力等)。

然而，对于许多先进技术来说，石墨烯和金刚石等更坚硬材料的力学表征非常重要。为了满足这样的需要，已经创建了几种AFM纳米机械模式。涉及到一系列的操作方法，这些模式可以提供比力曲线方法更快的优点，如扫描和测量粘弹性响应。

额外的资源:

纳米尺度电特性的AFM工具白皮书

压电反应力显微镜(PFM)简介网络研讨会

扫描电容显微术白皮书

纳米摩擦学与AFM白皮书

结论

在短短几十年的时间里，AFM已经从一项获得诺贝尔奖的发明发展成为表面分析的必备工具。虽然它以成像纳米级结构而闻名，但它也可以在小尺度上评估许多物理特性。最近的仪器进步，如更高的空间分辨率，更快的成像速率和增强的环境选项，使AFM比以往任何时候都更有价值。未来进一步扩展这些功能的改进将确保AFM与科学技术的要求保持同步。