一般信息
原子力显微镜 (AFM) 是一种扫描探针显微镜，用于 查看和测量表面形貌、进行力测量或操纵 样品的表面。
它可以具有接近原子的分辨率。扫描环境的范围可以是 在周围环境或特定气体、液体或真空下操作。 对可以使用的样品类型也没有什么限制；几乎 任何固体且具有表面的东西都可以成像。经营范围广泛 条件使得 AFM 在许多不同领域都有用处，例如生物学、物理学、 化学、天文学、医学等等。
基材
基质的性质对于大多数样品来说并不重要。
处理生物样品时，底物的化学性质应 选择这样的细胞可以在扫描过程中锚定和固定。云母 和高取向热解石墨（HOPG）是常见的基材，因为它们 两者在原子上都是平坦的并且相当惰性。硅在电子应用中很受欢迎 和光刻。玻璃和石英适用于大型样品和胶片，通常 用于细胞。
仪器仪表
AFM 通常可以分为三个主要组件：计算机、平台、 和控制电子设备。
计算机是将所有信号转换成可以理解的格式的地方 由研究人员使用为仪器构建的程序。尽管所有的 组件很复杂，并且以自己的方式、阶段和控制非常复杂 电子设备才是 AFM 的真正原因。
载物台包含 AFM 的主要部分，如扫描仪、样品架、 悬臂梁、光学显微镜等。有两种不同的舞台类型 AFM 各有其优点和缺点。在样品扫描阶段，AFM 头 是静止的，样品被放置在 XYZ 扫描仪上，扫描仪将其移动到 头。样品的质量包含在反馈回路中，这确实限制了 取决于可探测样品的大小，但这种类型的载物台更容易 制作。
另一种类型的平台是探针扫描平台。在这个阶段，样品仍然存在 固定，探头移动。这种类型的载物台可以容纳更大的样品，但是 由于组装过程中会产生额外的振动，因此制造起来更加困难。 控制扫描仪或探头运动的是压电传感器。 在 AFM 中，它们是合成陶瓷材料，可将电势转换为 机械运动。当电势施加在相对两侧时 压电装置，改变其几何形状。这种形状的变化取决于 所施加电压的材料和大小以及一般膨胀约为 每施加电压 0.1 nm。其有用之处在于能够准确控制 小动作，例如探头在表面上扫描时的运动 样本的。
控制电子设备是连接舞台和计算机的部件，因此没有它们 AFM 无法工作。这些控制产生用于驱动的信号 扫描仪。他们将来自 AFM 的信号数字化并根据反馈进行控制 根据用户在成像程序中设置的内容。
反馈控制
AFM 中反馈控制的唯一目的是在 尖端和样品。
它称为设定值，由用户确定。信号取自 激光从悬臂反射。它用于驱动压电换能器 以保持尖端与样品的距离。如果力增加，反馈 会告诉压电元件将尖端稍微移离表面，反之亦然 如果力量减少。
用户应选择扫描期间施加的几乎最小的力， 同时仍保持与样品表面的稳定接合。较低的 力将减少尖端的磨损并有助于防止损坏样品。 如果设定点太低，尖端将无法正确跟踪表面。有 对于特定的悬臂没有一个设定点值，并且它因样品而异 以及。每次用户打算成像时都需要优化设定值。
压电尖端的持续移动和反馈是其得以实现的原因 来跟踪表面。如果对施加到尖端的力没有反应， 然后它会继续在相同的高度并刮过样品。虽然 这对于光刻应用可能有用，对于一般形貌成像这 会损坏样品。
反馈中有两个重要参数，称为比例和 积分增益。这些是常见比例积分微分的 P 和 I 部分 （PID）控制器。控制器所做的就是不断计算误差值 设定点和测量值之间。然后它将应用修正 基于比例或积分分量。增加任一增益将 增加来自光电二极管的输入信号量，该信号将被馈送到 输出信号。值越高意味着 AFM 可以对变化做出更快的反应 样本地形。如果它们太高，则会出现反馈振荡 这可能会导致图像伪影。
操作模式
日常通用 AFM 有相当多的操作模式。
地形和非地形
最常见的是地形成像和包含力的非地形模式 光谱学、纳米压痕、磁力、电化学和热测量。 还可以进行表面修饰。地形成像是最常见的 AFM 的使用可分为两个子类：接触式 AFM 和非接触式 原子力显微镜。后者又可分为非接触成像和振荡模式。 这里将讨论接触 AFM 和振荡 AFM。
接触模式
接触模式是概念上最简单的 AFM 模式，是各种 AFM 模式的基础 的其他模式。它是所有地形方法中最快的，能够获得 AFM 中一些最高分辨率的图像（操作条件允许， 当然）。在这种模式下，尖端始终与样品接触——因此得名——但是 由于这种持续接触，尖端上的法向力和侧向力可能很大。 这可能会降低空间分辨率并可能损坏软样本。为此 接触模式通常用于较硬的样品。 悬臂的选择有助于防止 使用较软的尖端进行样品损坏。
振荡模式
当尖端远离表面时，据说它具有零偏转，并且 处于平衡位置。当尖端下降并接近表面时， 它将开始感受到吸引力，例如静电力、范德华力或毛细管力 力量。随着尖端继续向下，相互作用将开始变得排斥 并且尖端会偏转。挠度的大小是衡量挠度大小的标准 悬臂在被反馈设定点修正之前发生偏转。信号 与反馈参数一起使用来确定 Z 压电体必须如何按顺序移动 以保持恒定的挠度。 Z 压电移动的量被视为 地形样本。
攻丝模式或交流拓扑
在振荡模式中，最常见的是轻敲模式（或交流拓扑）。 该模式比接触模式稍慢，但因为直接接触较少 对于样品，作用在样品上的横向力和法向力有所减少 小费。轻敲模式仍然保持对样品形貌的高灵敏度。这个 还使敲击模式更适合较软的样品。
在攻丝模式下，使用压电传感器使悬臂以 或其谐振频率附近。当探头接近表面时，振动 由于尖端与样品的相互作用是静电效应的结果，范德 瓦尔斯力和毛细管力。振荡的抑制减少了 频率和幅度。与接触模式下的偏转一样，振荡 正在被监控，并且 Z 高度通过反馈环路与幅度进行调整 设定值。
噪音
AFM 上的噪声可能非常明显，尤其是在扫描小区域时。
两种最常见的噪声类型是声振动和电子噪声。声学 振动表现为图像水平形成的不规则线条。他们是 通常是日常事物的结果，例如说话、走路、使用滚动椅、 或关闭实验室的门。消除此类振动的最佳方法是 将 AFM 放置在人流较少的区域，将其放置在防振台上，如果可能的话 将其放在隔音罩中。人流量少的区域有时很难到达 由于实验室空间有限，并且额外的外壳可能会花费大量成本，因此另一个 限制图像振动的方法是在非高峰时段使用 AFM。
最常见的另一种噪声是电子噪声，它表现为 高频振荡，通常看起来像一个“条纹”图案 图像。这种类型的噪音源自仪器本身，有时可能会 很难消除。当尖端扫描速度太快并且 引起额外振动，或者当积分增益等设置设置得太高时。 解决此问题的唯一真正方法是调整一些扫描和反馈设置 看看它是否有助于解决问题。
探针伪影和尖端形状问题
影响 AFM 图像分辨率的主要因素之一是形状 和悬臂尖端的状况。
尖端半径越小，可解析的特征越小，但 尖端可能更容易产生噪音。尖端的侧壁角度限制了精确度 可以对样品上的陡壁进行成像，因为尖端无法对更陡的侧面进行轮廓分析 比它的侧壁。
AFM 悬臂的高精度和高精度也带来了脆弱性。作为悬臂 使用后，它们会变得迟钝、破损或被污染——所有这些都会导致 许多不同的图像伪影。钝探针通常会导致特征较大、较小 由于尖端半径增加，孔或更平坦的轮廓。被污染或破损 提示可能会导致图像失真、意外形状或重复图案。如果 您认为您的尖端可能变钝、破损或被污染，请测试悬臂 通过扫描具有已知形貌的样品，例如可以 已随 AFM 一起提供。