原子力顯微鏡常見的3種工作模式

 

接觸模式

 

從概念上來理解，接觸模式是AFM最直接的成像模式。AFM在整個(gè)掃描成像過程之中，探針針尖始終與樣品表面保持緊密的接觸，而相互作用力是排斥力。掃描時(shí)，懸臂施加在針尖上的力有可能破壞試樣的表面結(jié)構(gòu)，因此力的大小范圍在10-10～10-6N。若樣品表面柔嫩而不能承受這樣的力，便不宜選用接觸模式對(duì)樣品表面進(jìn)行成像。

 

非接觸模式

 

非接觸模式探測試樣表面時(shí)懸臂在距離試樣表面上方5～10nm的距離處振蕩。這時(shí)，樣品與針尖之間的相互作用由范德華力控制，通常為10-12N，樣品不會(huì)被破壞，而且針尖也不會(huì)被污染，特別適合于研究柔嫩物體的表面。這種操作模式的不利之處在于要在室溫大氣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)這種模式十分困難。因?yàn)闃悠繁砻娌豢杀苊獾貢?huì)積聚薄薄的一層水，它會(huì)在樣品與針尖之間搭起一小小的毛細(xì)橋，將針尖與表面吸在一起，從而增加對(duì)表面的壓力。

 

敲擊模式

 

敲擊模式介于接觸模式和非接觸模式之間，是一個(gè)雜化的概念。懸臂在試樣表面上方以其共振頻率振蕩，針尖僅僅是周期性地短暫地接觸/敲擊樣品表面。這就意味著針尖接觸樣品時(shí)所產(chǎn)生的側(cè)向力被明顯地減小了。因此當(dāng)檢測柔嫩的樣品時(shí)，AFM的敲擊模式是的選擇之一。一旦AFM開始對(duì)樣品進(jìn)行成像掃描，裝置隨即將有關(guān)數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰頂之間的距離等，用于物體表面分析。同時(shí)，AFM還可以完成力的測量工作，測量懸臂的彎曲程度來確定針尖與樣品之間的作用力大小。

 

三種模式的比較

 

接觸模式（ContactMode）：

 

優(yōu)點(diǎn)：掃描速度快，是能夠獲得“原子分辨率”圖像的AFM垂直方向上有明顯變化的質(zhì)硬樣品，有時(shí)更適于用ContactMode掃描成像。

 

缺點(diǎn)：橫向力影響圖像質(zhì)量。在空氣中，因?yàn)闃悠繁砻嫖揭簩拥拿?xì)作用，使針尖與樣品之間的粘著力很大。橫向力與粘著力的合力導(dǎo)致圖像空間分辨率降低，而且針尖刮擦樣品會(huì)損壞軟質(zhì)樣品（如生物樣品，聚合體等）。

 

非接觸模式：

 

優(yōu)點(diǎn)：沒有力作用于樣品表面。

 

缺點(diǎn)：由于針尖與樣品分離，橫向分辨率低；為了避免接觸吸附層而導(dǎo)致針尖膠粘，其掃描速度低于TappingMode和ContactModeAFM。通常僅用于非常怕水的樣品，吸附液層必須薄，如果太厚，針尖會(huì)陷入液層，引起反饋不穩(wěn)，刮擦樣品。由于上述缺點(diǎn)，on-contactMode的使用受到限制。

 

輕敲模式：

 

優(yōu)點(diǎn)：很好的消除了橫向力的影響。降低了由吸附液層引起的力，圖像分辨率高，適于觀測軟、易碎、或膠粘性樣品，不會(huì)損傷其表面。

 

缺點(diǎn)：比ContactModeAFM的掃描速度慢。