AFM测试探针与样品间的作用力

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本文详细解读AFM测试中探针与样品间的作用力模型，介绍接触、非接触和轻敲三种工作模式，并提供图解说明。深入浅出地探讨了AFM成像背后的科学原理。

在做原子力显微镜AFM测试时，科学指南针检测平台工作人员在与很多同学沟通中了解到，好多同学对AFM测试不太了解，针对此，科学指南针检测平台团队组织相关同事对网上海量知识进行整理，希望可以帮助到科研圈的伙伴们；

 

图1 探针与样品间的作用力示意图

 

AFM成像信号来源就是探针和样品表面之间的作用力，AFM利用一个对微弱力极敏感的，一端带有微小针尖的微悬臂，通过探测针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像。但在介绍探针与样品间的作用力之前先介绍一下接触的概念。当两个物体逐渐接近到二者之间的相互作用力为零的临界点时，这两个物体被认为开始接触，两物体之间的相互作用的合力是排斥力时，这两个物体被认为是相互接触，当两个物体之间的相互作用的合力是吸引力时，两物体被认为是互相不接触。如图1表示的是探针与样品间作用力的示意图，黑色的曲线显示的就是两个原子之间（探针与样品之间）的作用力随着距离变化的情况，作用力有两个分量，一个是正值的分量，一个是负值的分量，正值代表斥力，负值代表吸引力，当两个原子距离无限远的时候，也就是横坐标的右端无限延伸的时候，这两个原子之间的作用合力接近于零，说明这两个原子之间几乎没有相互作用，随着两个原子之间的距离逐渐减小，在负值阶段，两个原子之间是吸引力，然后距离进一步减小，到某个特定值的时候，两个原子之间的吸引力达到最大，然后距离进一步减小，吸引力开始变小，当曲线与横坐标相交的时候，在这个点作用力为零，随着探针进一步靠近，两个原子之间的作用力开始变为正值，也就是斥力，然后距离与斥力的之间基本变成线性的关系，整个这条线反应了两个原子之间作用力和距离的一个变化的关系。曲线与横坐标相交的那个点，代表2个原子接触。

 

根据针尖与样品之间的作用力，原子力显微镜的工作模式主要分为3类，如图2所示，分别为接触模式 (Contact mode)，非接触模式（Non-Contact mode）和轻敲模式（Tapping mode）。

 

图2 AFM三种操作模式的比较（a）接触模式；（b）非接触模式；（c）轻敲模式。

 

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来源：科学指南针服务平台

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