原子力顯微鏡

什麼是原子力顯微鏡？

AFM使用柔性懸臂樑上的奈米級探針尖端以亞奈米解析度掃描表面。鐳射束從懸臂樑反射到光電探測器上，測量探針描繪表面形貌時的微小偏轉，逐原子構建3D高度圖。

為什麼重要？AFM可以在空氣或液體中對任何表面成像 — 金屬、聚合物、生物細胞，甚至單個DNA鏈 — 而不損傷樣品。三種掃描模式（接觸式、輕敲式、非接觸式）讓您根據應用選擇解析度、柔和度和速度。

📖 深入了解

類比 1

想像一下用指尖閱讀點字——您將手指拖過凹凸不平的地方，並在腦海中構建出文字的圖像。 AFM 在原子尺度上做同樣的事情：柔性臂（懸臂）上的微小尖銳尖端在表面上描畫，每次碰撞或下沉都會使臂偏轉。從手臂上反射的雷射光束以亞埃精度測量這些偏轉，逐個原子地創建表面的 3D 高度圖。

類比 2

想想黑膠唱片機。針沿著凹槽移動，將微小的表面特徵轉換成電訊號。 AFM 的工作原理與此相同，只不過「針」是寬度僅 10 奈米的矽尖，「凹槽」是單個原子，輸出的不是音樂，而是地形圖像，顯示了表面上的每一個山丘和山谷，其分辨率比任何光學顯微鏡高 1000 倍。

🎯 模擬器提示

初學者

按下「開始」開始掃描 — 逐行觀察表面上的懸臂光柵

中級

調整設定點力以控制吸頭按壓的力道 — 力道太大會損壞軟樣品

專家

調整反饋增益以優化反饋環路 - 太低會導致尖端失去跟踪，太高會導致振盪

📚 術語表

Cantilever

具有鋒利尖端（半徑約 10 奈米）的微型光束可掃描樣品表面，並因力而彎曲。

Contact Mode

AFM 模式中尖端與表面保持接觸，透過懸臂偏轉繪製地形圖。

Tapping Mode

尖端在共振頻率附近振盪，間歇性地敲擊表面－減少樣品損壞。

Non-Contact Mode

尖端在表面上方振盪而不接觸，檢測精緻樣品的范德華力。

Force Curve

懸臂偏轉與距離的關係圖，揭示了黏附力、彈性和分子相互作用力。

Piezoelectric Scanner

陶瓷執行器可在 x、y 和 z 軸上提供埃級精度的樣品或尖端定位。

Lateral Resolution

最小可區分特徵尺寸，對於 AFM 通常為 1-10nm，由尖端半徑和回饋決定。

van der Waals Force

尖端和表面原子之間的分子間吸引力較弱，在非接觸式 AFM 成像中占主導地位。

Kelvin Probe

AFM 技術以奈米級分辨率測量局部表面電位（功函數）。

AFM Lithography

使用 AFM 尖端在表面上機械刮擦、氧化或沉積材料以進行奈米加工。

PeakForce QNM

布魯克的 AFM 模式可同時繪製形貌、模量、黏附力和變形圖。

Feedback Loop

控制系統可調整 z 位置以保持恆定的力道或振幅，這對於精確的地形測繪至關重要。

Set Point

反饋迴路在掃描期間試圖維持的目標力或幅度。

RMS Roughness

與平均平面的高度偏差的均方根平均值－表面粗糙度的標準量測。

🏆 關鍵人物

Gerd Binnig (1986)

在 IBM Zurich 共同發明了 AFM，將 STM 擴展到非導電表面； STM 諾貝爾獎 (1986)

Calvin Quate (1986)

史丹佛大學教授，共同發明了 AFM 並推進了其在半導體計量學的應用

Christoph Gerber (1986)

在 IBM 共同發明了 AFM，並開創了用於研究分子過程的生物 AFM

Franz Giessibl (2003)

雷根斯堡大學使用 qPlus 感測器透過非接觸式 AFM 實現了真正的原子分辨率

Leo Gross (2009)

IBM 研究人員使用 AFM 和 CO 功能化尖端對單一分子鍵進行成像

🎓 學習資源

Atomic Force Microscope [paper]
原始 AFM 發明論文（物理評論快報，1986 年）
The Chemical Structure of a Molecule Resolved by AFM [paper]
使用 AFM 對並五苯分子鍵進行突破性成像（Science，2009）
AFM Tutorial - nanoScience [article]
帶有動畫圖的全面 AFM 技術解釋
Bruker AFM Resources [article]
來自領先製造商的 AFM 應用說明和教育材料

💬 給學習者的話

探索原子力顯微鏡的迷人世界。每一個發現都始於好奇心！