原子力显微镜探针的微观起源

原子力显微镜(AFM)是以原子分辨率分析表面形貌和电磁特性的重要工具。1981年，IBM-Zurich的Binnig和Rohrer发明了STM(扫描隧道显微镜)。1982年，宾尼希第一次观测到原子分辨率图Si(7x7)。1985年，Binnig、Gerber和Quate成功研制出第一台AFM(原子力显微镜)。在表面科学、纳米技术和生物电子学领域，扫描探针显微镜(SPM)已经逐渐发展成为一种重要的多功能材料表征工具。

STM要求样品的表面是导电的，而AFM可以测试绝缘体的表面形貌和性质。因为STM的基本原理是通过测量探针和样品表面之间的隧穿电流来检测表面形貌，而AFM是测量探针和样品表面之间的相互作用力。AFM由四部分组成:机械运动部分、悬臂梁偏转信号光学检测系统、控制信号反馈系统、成像和信息处理软件系统。探针和样品之间的相互作用使得微悬臂向上或向下偏转。用激光照射悬臂末端，反射光的位置变化用来测量悬臂的偏移量。这种检测方法最早是由Meyer和Amer提出的。机械部分的运动(探头的上下和横向扫描运动)由精确的压电陶瓷控制。PSD用于激光反射检测。反馈和成像系统控制探针和样品表面之间的距离，并最终处理实验测试结果。

原子力显微镜的AFM工作模式

随着AFM技术的发展，各种新的应用不断涌现。具体来说，它包括以下技术:

(1)最早的接触方式，探头与样品直接接触，探头容易磨损，所以要求探头柔软，即悬臂的弹性系数小，一般小于1N/m。

(2)敲击方式也称为动力或间歇接触。探针在外力作用下振动，探针的部分振动位置进入力曲线的排斥区，因此探针与样品表面间歇接触。探针需要高的悬臂弹性系数，以避免与样品表面的微层水膜发生咬合。轻敲模式对样品的作用力很小，特别有利于提高软样品的分辨率。同时，探头的寿命比接触式略长。

以上是最常用的AFM模式，还有很多其他模式，比如

侧向力显微镜(横向力显微镜，可以检测样品表面微区对探针的横向摩擦力，获得材料的力学性能)，

非接触式力(非接触式显微镜，基本和敲击式一样，只是非接触式探头工作在力曲线的吸引区)，

力调制显微镜(力调制显微镜，探针有很大的力来检测样品表面的微区，可以得到材料微区的弹性系数等力学性质)，

CFM化学力显微镜

电子显微镜力显微镜

KFM·开尔文力显微镜

MFM磁力显微镜

扫描热显微镜

单片机扫描电容显微镜

SCPM扫描化学势显微镜

扫描电化学显微镜

SICM扫描离子电导显微镜

SKPM扫描开尔文探针显微镜

扫描热显微镜

STOS扫描隧道光谱仪

各种模式和应用需要不同性质的探头，探头的性能指标是决定显微镜分辨率的最关键因素。