讲解：本文采算科技主要谨慎原子力显微镜（AFM），理清其行为高分手率扫描探针显微镜的界说、主要结构（探针与悬臂等四部分）及斗争、非斗争、敲击三种中枢成像模式，包含其在多畛域的应用，可让读者掌抓AFM的责任机制与应用价值。
{jz:field.toptypename/}01、什么是原子力显微镜？
原子力显微镜是一种高分手率的扫描探针显微镜。其中枢功能是通过一个极其明锐的探针（探针顶端的曲率半径可达纳米级）来“触摸”或“感知”样品名义。
与光学显微镜依赖光波、电子显微镜依赖电子束不同，AFM依赖的是探针顶端的原子与样品名义原子之间极其隐微的互相作用劲（如范德华力、静电力、磁力、毛细力等）来获取信息。
图1. AFM默示图。DOI: 10.1016/j.micron.2023.103460
通过精准戒指探针在样品名义的逐点扫描，AFM不仅未必以纳米以至原子级别的分手率生成样品名义的三维描摹图像，还能同步测量和表征样品的多种物理化学性质，如硬度、弹性、摩擦力、粘附力、电学、磁学及热学特点等。
这种多功能性使其适用于从硬质材意料柔嫩生物样本的各式经营对象，况且不错在大气、液体、真空等多种环境下责任。
02、原子力显微镜责任旨趣
原子力显微镜主要结构
AFM莫得任何测量透镜，其主要结构由以下几个要道部分组成：
（1）探针与悬臂
探针顶端和悬臂组成仪器的中枢部件，决定了是否不错取得样品的高质料AFM图像。一个极细的探针被集成在一个眇小的、具有弹性的悬臂梁结尾。悬臂的材料、体式和弹性通盘左证不同的应用需求而瞎想。当探针接近或斗争样品名义时，原子间的作用劲会使悬臂发生眇小的盘曲或振动情景的改变。
图2.（a）力–距离弧线：针尖与样品名义之间的互相作用劲随距离的变化联系。（b）针尖上的摒除力与迷惑力：三个不同区域内作用于AFM针尖的力。DOI: 10.1088/1361-6404/aa5cd6
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（2）光学检测系统
为了探伤悬臂的眇小形变，系统频频继承放大工夫。一束激光精准地聚焦在悬臂的后面，然后反射到一个位置敏锐的光电探伤器上。悬臂的任何眇小偏转皆会导致反射光斑在探伤器上的位置发生变化，从而将悬臂的机械领路篡改为电信号。
（3）压电陶瓷扫描器
这是竣事纳米级精准位移的实行器。PZT是一种寥落的陶瓷材料，在施加电压时会发生精准的形变。AFM使用三轴（X-Y-Z）PZT来驱动样品或探针在三维空间中进行高精度的扫描领路和高度调遣。
（4）响应戒指系统
系统将光电探伤器检测到的悬臂偏转信号与一个预设的参考值（设定点）进行比拟。当两者存在偏差时，响应回路会赶紧臆测打算并输出一个校阅电压给Z轴压电陶瓷，调养探针与样品之间的距离，以使悬臂的偏转（或振幅）收复到设定值。
图3. 原子力显微镜（AFM）的安装默示图。DOI: 10.1080109506608.2016.1156301
成像模式
为适合不相似品特点和经营需求，AFM发展出了多种责任模式。最中枢的三种模式是斗争模式、敲击模式和非斗争模式。
（1）斗争模式
斗争模式是原子力显微镜最原始的成像样子，继承最浅近的响应戒指系统。该模式下，扫描进程中探针顶端长期与样品名义保持承接斗争。系统通过监测悬臂梁的偏转角度，澳客app及时升降探针，使偏转量保管在预设值，从而戒指顶端对样品的垂直作用劲。
为尽量减小垂直办法的互相作用劲，斗争模式频频选定氮化硅制成的探针，其悬臂弹簧常数极低，以缩小顶端对样品名义酿成形变或毁伤的风险。
可是，由于扫描全程存在不时的斗争，横向（侧向）互相作用劲频频较大，可能导致聚合松散或脆弱的样品在成像进程中被扫走。
图4. 斗争模式成像。（a）斗争模式下，AFM探针长期与样品名义保持斗争。
（b）斗争模式取得的图像：高度、偏转、Z传感器和横向力争像。DOI: 10.1088/1361-6404/aa5cd6
（2）非斗争模式
探针顶端不径直斗争样品名义，而是通过探针顶端与样品名义之间的毛细管压力或范德华力的互相作用生成样品的名义形式图像。
悬臂由于样品名义和探头顶端之间的互相作用而盘曲，nba下注况且由于施加的应力而偏转，从而生成样品名义的图像行为响应回路。非斗争模式对样品施加的横向及法向力最小，止境相宜对最高精通度、最脆弱样品的不雅测需求。
图5. 非斗争模式。（a）悬臂在其共振频率隔邻进行震动。（b）当样品名义相对针尖围聚时，由于针尖与样品之间的互相作用劲，悬臂的震动振幅减小，震动频率也随之改变。DOI: 10.1088/1361-6404/aa5cd6
（3）敲击模式
在此模式下，悬臂在其共振频率隔邻被驱动进行高频震动。探针在震动的最低点会间歇性地、关注地“敲击”样品名义。响应系统通过监测并保管悬臂振动的振幅恒定来跟踪名义描摹。
该模式极地面减少了作用在样品上的横向力，灵验幸免了对样品的毁伤，因此止境适用于成像柔嫩、粘性或脆弱的样品，如生物大分子、细胞等。但是，相较于斗争模式，扫描速率频频较慢。
图6. 典型敲击模式原子力显微镜（AFM）的仪器默示图。DOI: 10.1109/MCS.2013.2279471
03、原子力显微镜的应用
原子力显微镜（AFM）闲居应用于材料科学（名义描摹、粗拙度、力学等表征），纳米工夫与纳米加工，半导体与电子器件残障检测，团聚物与复合材料结构经营，生物医学畛域的细胞、卵白质瓜分子成像与力学测量，电化学进程如电千里积、腐蚀及锂电板界面不雅察等。
AFM未必以纳米以至原子级的分手率，在空气、液体等多种环境下对材料名义进行成像。这使其未必径直不雅察和量化材料的名义细节，举例薄膜的厚度、颗粒大小、晶粒尺寸、微不雅结构以及名义粗拙度等要道参数。
如图7所示，经营东谈主员欺诈原位低温AFM和摩擦力显微镜经营了被单层MoS₂包裹的水与二维冰的摩擦学特点。其中，下方的二维冰层可使MoS₂名义摩擦力缩小30%，这与频频使摩擦力增多200%–400%的二维水层插层效应相悖。
二维冰对二维范德华材料润滑性能的增强，以及通过压力将液态水篡改为超薄二维冰的工夫，为修复固态润滑剂并通过温度、湿度和压缩调控其润滑性征战了新旅途。
图7. 由单层MoS₂限域的可移除二维冰层。
（a）默示图：MoS₂下方滑移的二维冰层被AFM探针推开。
（b）欺诈AFM非斗争模式测得的MoS₂下二维冰层描摹图。
（c）对应
（b）中蓝色虚线区域的放大三维描摹图。
（d）低温下用斗争模式将二维冰层推开后，干净MoS₂的描摹图。
DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04573
电化学AFM未必在腐蚀发生的开动阶段，以纳米级分手率及时不雅察金属或导电涂层名义微不雅描摹的变化，举例点蚀的形成、晶间腐蚀的延伸等，为修复先进的防腐蚀政策提供微不雅认识。
如图8所示，经营东谈主员在0.005M NaCl溶液中对纯锌（Z）和Zn-Al-Mg（ZM）镀锌层模子进行了初期局部腐蚀活动经营。展示了Z样品在极化前及极化进程的名义描摹变化，黑线详细长期标记兼并位置。
图中箭头指示扫描进程中（从下到上）动手施加极化的时刻。AFM图像露馅，Z名义立即出现局部点蚀。跟着浸泡时分延长，这些局部蚀坑逐渐向锌层深处延伸。
图8. 抛光后的Z镀锌层在0.005M NaCl中的AFM描摹图：（a）浸泡前。（b）浸泡3min。（c）22min。（d）35min。（e）沿玄色线所示位置的描摹演变。（f）钢的阴极极化弧线以及Z与ZM样品的阳极极化弧线。DOI: 10.1016/j.electacta.2016.06.045
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