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原子力顯微鏡的優(yōu)缺點(diǎn)及其3種操作模式介紹
原子力顯微鏡是顯微鏡中的一種類(lèi)型，應(yīng)用范圍十分廣泛。原子力顯微鏡是一種可用來(lái)研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。原子力顯微鏡(AFM)能夠在大氣及液體環(huán)境下準(zhǔn)確地觀測(cè)樣品表面微區(qū)(納米及微米尺度)三維形貌；同時(shí)可對(duì)樣品表面物理化學(xué)特性進(jìn)行研究，能測(cè)試多種材料如纖維材料、膜材料、生物材料、地質(zhì)有機(jī)質(zhì)、高分子材料等非金屬材料以及金屬材料、復(fù)合材料的多種物性。包括表面組分區(qū)別、溫度、表面電勢(shì)、磁場(chǎng)力、靜電力、摩擦力和其他相互作用力的測(cè)量。
原子力顯微鏡的優(yōu)缺點(diǎn)介紹：
優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)于掃描電子顯微鏡，原子力顯微鏡具有許多優(yōu)點(diǎn)。不同于電子顯微鏡只能提供二維圖像，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。第三，電子顯微鏡需要運(yùn)行在高真空條件下，原子力顯微鏡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。原子力顯微鏡與掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope）相比，由于能觀測(cè)非導(dǎo)電樣品，因此具有更為廣泛的適用性。當(dāng)前在科學(xué)研究和工業(yè)界廣泛使用的掃描力顯微鏡，其基礎(chǔ)就是原子力顯微鏡。
缺點(diǎn)：和掃描電子顯微鏡(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。
原子力顯微鏡的工作模式是以針尖與樣品之間的作用力的形式來(lái)分類(lèi)的。主要有以下3種操作模式：接觸模式、非接觸模式和敲擊模式。
1、接觸模式
從概念上來(lái)理解，接觸模式是AFM最直接的成像模式。正如名字所描述的那樣，AFM在整個(gè)掃描成像過(guò)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。
2、非接觸模式
非接觸模式探測(cè)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，從而增加頂端對(duì)表面的壓力。
3、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(cè)柔嫩的樣品時(shí)，AFM的敲擊模式是理想的選擇之一。一旦AFM開(kāi)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、峰谷峰頂之間的最大距離等，用于物體表面分析。同時(shí)，AFM還可以完成力的測(cè)量工作，測(cè)量懸臂的彎曲程度來(lái)確定針尖與樣品之間的作用力大小。
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