來源：材料牛網

原子力顯微鏡(AFM)可能很多人都聽過，一種相對比較高級的掃描探針顯微鏡，對于材料表面形貌和結構進行分析測試的有效手段之一，利用AFM可以直接觀察到物質的分子和原子，并以非常清楚的圖像呈現在觀察者的眼前。那么AFM的是怎么樣工作的呢？具體又有哪些應用呢？下面就小編就這些問題給您說說。

一、AFM的測試原理

測試的原理圖如下所示，當探針在材料表面掃描的時候，樣品與表面原子之間的斥力會使得微懸臂輕微變形，這樣微小的變形可以通過檢測器精確測量，從而實現了通過探針與材料表面原子斥力來得到材料表面形貌和結構的信息。

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獲得材料結構和形貌信息的方式，這樣的方式測試出來的圖像分別率高，但是很容易損傷測試材料的表面，探針也會受到材料的污染，同時可能會因為探針與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有直接接觸，這樣的方式就避免了接觸模式的一些缺點，探針也不會受到污染，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，而且會因為材料的表面張力使得圖像變形；

敲擊模式：

這是一種較為先進的測試模式，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，而是通過探針不斷垂直敲擊（大約每秒5×104-50×104次）材料的表面來獲得我們所想要的材料表面形貌和結構的信息，這樣就既不會損壞材料表面也會得到較高分辨率（當然還是沒有接觸模式圖像分辨率高），因此當檢測柔嫩的樣品時，AFM的敲擊模式是最好的選擇之一。但是測試的速度相對較慢。

三、材料領域的應用

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對表面整體圖像進行分析可得到樣品表面的粗糙度、顆粒度、平均梯度、孔結構和孔徑分布等參數，還可以對測試的結果進行三維模擬，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，對于其性能的預測及解釋有著重要的作用。

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

2、晶體生長機理

在研究納米晶生長機理的時候，人們希望用顯微手段直接觀察到晶面生長的過程，AFM為我們提供了在一個原子級觀測研究晶體生長界面過程的全新有效工具。由于AFM的工作條件要求低，它可以晶體生長過程原子級的圖像，為完善和修正現有的晶體生長理論提供了強大的技術支撐。

四、與掃描電鏡的區別

可能有的人會問了，既然是測試材料表面的結構與形貌，SEM也是可以的，但是這二者的區別又在哪呢？

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，AFM不需要對樣品的任何特殊處理，如鍍銅或碳，這種處理對樣品會造成不可逆轉的傷害。其次，SEM需要運行在高真空條件下，AFM在常壓下甚至在液體環境下都可以良好工作。這樣可以用來研究生物宏觀分子，甚至活的生物組織。和SEM相比，AFM的缺點在于成像范圍太小,速度慢，受探頭的影響太大。當然二者的工作原理也是不同的，SEM是利用電子與物質的相互作用。

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：

總之，AFM很強大，可以克服許多電鏡測試中的很多缺點，為材料的科學的研究提供了強大的工具和手段，促使材料科學朝著更加快速、正確的方向去發展。可能在各位材料人的科研生涯中會經常用到哦！

*** 結束 ***

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