原子力显微镜

什么是原子力显微镜？

AFM使用柔性悬臂梁上的纳米级探针尖端以亚纳米分辨率扫描表面。激光束从悬臂梁反射到光电探测器上，测量探针描绘表面形貌时的微小偏转，逐原子构建3D高度图。

为什么重要？AFM可以在空气或液体中对任何表面成像 — 金属、聚合物、生物细胞，甚至单个DNA链 — 而不损伤样品。三种扫描模式（接触式、轻敲式、非接触式）让您根据应用选择分辨率、柔和度和速度。

📖 深入了解

类比 1

想象一下用指尖阅读盲文——您将手指拖过凹凸不平的地方，并在脑海中构建出文本的图像。 AFM 在原子尺度上做同样的事情：柔性臂（悬臂）上的微小尖锐尖端在表面上描画，每次碰撞或下沉都会使臂偏转。从手臂上反射的激光束以亚埃精度测量这些偏转，逐个原子地创建表面的 3D 高度图。

类比 2

想想黑胶唱片机。针沿着凹槽移动，将微小的表面特征转换成电信号。 AFM 的工作原理与此相同，只不过“针”是宽度仅 10 纳米的硅尖，“凹槽”是单个原子，输出的不是音乐，而是地形图像，显示了表面上的每一个山丘和山谷，其分辨率比任何光学显微镜高 1000 倍。

🎯 模拟器提示

初学者

按“开始”开始扫描 — 逐行观察表面上的悬臂光栅

中级

调整设定点力以控制吸头按压的力度 — 力太大会损坏软样品

专家

调整反馈增益以优化反馈环路 - 太低会导致尖端失去跟踪，太高会导致振荡

📚 术语表

Cantilever

具有锋利尖端（半径约 10 纳米）的微型光束可扫描样品表面，并因力而弯曲。

Contact Mode

AFM 模式中尖端与表面保持接触，通过悬臂偏转绘制地形图。

Tapping Mode

尖端在共振频率附近振荡，间歇性地敲击表面——减少样品损坏。

Non-Contact Mode

尖端在表面上方振荡而不接触，检测精致样品的范德华力。

Force Curve

悬臂偏转与距离的关系图，揭示了粘附力、弹性和分子相互作用力。

Piezoelectric Scanner

陶瓷执行器可在 x、y 和 z 轴上提供埃级精度的样品或尖端定位。

Lateral Resolution

最小可区分特征尺寸，对于 AFM 通常为 1-10nm，由尖端半径和反馈决定。

van der Waals Force

尖端和表面原子之间的分子间吸引力较弱，在非接触式 AFM 成像中占主导地位。

Kelvin Probe

AFM 技术以纳米级分辨率测量局部表面电势（功函数）。

AFM Lithography

使用 AFM 尖端在表面上机械刮擦、氧化或沉积材料以进行纳米加工。

PeakForce QNM

布鲁克的 AFM 模式可同时绘制形貌、模量、粘附力和变形图。

Feedback Loop

控制系统可调整 z 位置以保持恒定的力或振幅，这对于精确的地形测绘至关重要。

Set Point

反馈回路在扫描期间试图维持的目标力或幅度。

RMS Roughness

与平均平面的高度偏差的均方根平均值——表面粗糙度的标准度量。

🏆 关键人物

Gerd Binnig (1986)

在 IBM Zurich 共同发明了 AFM，将 STM 扩展到非导电表面； STM 诺贝尔奖 (1986)

Calvin Quate (1986)

斯坦福大学教授，共同发明了 AFM 并推进了其在半导体计量学中的应用

Christoph Gerber (1986)

在 IBM 共同发明了 AFM，并开创了用于研究分子过程的生物 AFM

Franz Giessibl (2003)

雷根斯堡大学使用 qPlus 传感器通过非接触式 AFM 实现了真正的原子分辨率

Leo Gross (2009)

IBM 研究人员使用 AFM 和 CO 功能化尖端对单个分子键进行成像

🎓 学习资源

Atomic Force Microscope [paper]
原始 AFM 发明论文（物理评论快报，1986 年）
The Chemical Structure of a Molecule Resolved by AFM [paper]
使用 AFM 对并五苯分子键进行突破性成像（Science，2009）
AFM Tutorial - nanoScience [article]
带有动画图的全面 AFM 技术解释
Bruker AFM Resources [article]
来自领先制造商的 AFM 应用说明和教育材料

💬 给学习者的话

探索原子力显微镜的迷人世界。每一个发现都始于好奇心！