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原子力显微镜的三种工作模式都是什么?

提供 来源:      日期:2019年09月05日
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原子力显微镜具有三种不同的操作模式,取决于样品和尖端之间的接触:接触模式、非接触模式和轻敲模式。最常用的是接触式哄人轻敲模式。

 

 

一、接触式

 

在接触模式原子力显微镜中,针尖总是与样品接触。扫描样品时,针尖在样品表面上滑动。尖端和样品之间的相互作用是两个原子之间的库仑排斥力。

 

接触模式通常产生稳定的高分辨率图像。然而,当研究具有低弹性模量的样品时,它也具有一些缺点。探针在样品表面上的移动和尖端与表面之间的粘附可能导致样品的一定程度的变形并损坏探针,从而影响图像的质量和真实性。

 

二、非接触式

 

非接触式对应于几个到几十纳米的吸引区域的尖端 - 样品间距,并且尖端 - 样品力比接触类型小几个数量级,因此难以直接测量力。

 

非接触式AFM的工作原理是以略大于微悬臂梁的自由共振频率的频率驱动微悬臂梁。当针尖接近样品表面时,微悬臂梁的振幅显着降低。

 

振幅的变化量对应于作用在微悬臂梁上的力梯度,因此对应于尖端 - 样品间距。反馈系统通过调整尖端 - 样本间距来获得样本的表面形貌,使得微悬臂梁的振幅在扫描过程中保持恒定。

 

然而,由于尖端 - 样本距离大,非接触式原子力显微镜的分辨率低于接触型。在非接触模式中,尖端和样品之间的力很小,适合研究柔软或有弹性的表面。

 

非接触模式具有另一个优点,即针尖不会与样品表面接触,因此尖端不会污染样品。这种操作模式相对困难,并且其应用相对较小。

 

三、轻敲模式

 

轻敲模式原子力显微镜是接触模式和非接触模式之间的操作模式。在扫描期间,微悬臂梁在谐振频率附近以更大的幅度(> 20nm)被驱动,导致尖端间歇地接触样品表面。

 

当针尖不接触表面时,微悬臂梁以大振幅振动。当针尖接近表面直到它轻轻接触表面时,其幅度将减小。

 

当尖端从表面反转时,振幅返回到原始大小。反馈系统基于检测振幅并持续调节尖端和样品之间的距离来控制微悬臂梁的振幅,使得作用在样品上的力保持恒定。

 

由于尖端与样品接触,分辨率几乎与接触一样好;并且因为接触很短,剪切力引起的样品损坏几乎完全消失。

 

轻敲模式原适用于软,尖端和脆性样品的分析。在轻敲模式中,微悬臂梁振荡并具有大振幅,并且尖端在振荡周期期间间歇地与样品接触。由于尖端与样品接触,因此分辨率通常与接触模式相当,但由于接触是短暂的,因此对样品的损害大大降低,这适用于成像生物分子。

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