檢視原子力顯微鏡的原始碼

'''原子力顯微鏡'''（英語：Atomic Force Microscope，簡稱'''AFM'''）， 嘛稱'''掃描力顯微鏡'''（英語：Scanning Force Microscope，'''SFM'''）是一種奈米級懸分辨的掃描探針顯微鏡，和光學踅極限一千倍攏等待。原子力顯微鏡的頭前是掃描隧道顯微鏡，是由 IBM 蘇黎士研究實驗室的㧎爾文 ・ 奎特，格爾德 ・ 賓寧佮格榮佇咧一九八六年咧掃描磅空顯微鏡（STM，Scanning Tunnelling Microscope）的基礎上設計來。

格爾德 ・ 賓寧、魁特（Calvin Quate）佮格榮（Gerber）佇一九八六年發明第一台原子力顯微鏡，啊若第一台商業化原子力顯微鏡佇一九八九年生產的。AFM 是佇奈米尺度操作材料，佮其成像佮測量上重要的工具。資訊是通過微懸臂感受和懸臂頂尖細探針的表面的「感覺」來收集的，啊若壓電元件會當控制樣品抑是掃描器啊真精確微小徙動，用引電懸臂（cantilever）佮導電原子力顯微鏡附件會當測量樣品的電流偏壓；閣較高級的儀器會當測試探針上的電流來測試樣品的電導率抑是下表面的電子的移動，毋過這款測試是非常艱難的，干焦一个別實驗室予人報導一致的數據。利用微懸臂感受和放大懸手骨頂尖細探針佮受測樣品原子之間的作用力，自按呢達到檢測的目的，有原子級的解析度。因為原子力顯微鏡既然會當觀察導體，嘛會當觀察非導體，顛倒彌補矣掃描隧道顯微鏡無夠。

原子力顯微鏡是由 IBM 公司蘇黎世研究中心的格爾德 ・ 賓寧佮史丹福大學的 Calvin Quate 佇一九八五年所發明的，其目的就是為著使非導體嘛會當採用類似掃描探針顯微鏡（SPM）的觀測方法。原子力顯微鏡（AFM）佮掃描隧道顯微鏡（STM）上大的差別是佇咧並毋是利用電子穿磅效應，是檢測原子之間的接觸，原子鍵合，凡得瓦力抑是卡西米爾效應等等來呈現樣品的表面特性。

==工課原理==

AFM 的關鍵組成的部份是一个頭殼頂帶有一个用來掃描樣品表面的尖細探針的微觀懸臂。伊這種懸臂大細佇數十至數百微米，通常由矽或者氮化矽構成，其上載有探針，探針尾溜的曲率半徑是佇奈米量級。當探針囥甲逐項品表面附近的所在，懸臂頂的探針頭會因為受著樣品表面的力遵對虎克定律彎曲偏移。佇無仝款的狀況下，這款被 AFM 測量著的力可能是機械接觸力、范德華力、毛吸力、化學鍵、取向力、靜電力、磁力（見磁力顯微鏡）卡西米爾效應力、溶劑力等等。通常，偏移會是由射佇微懸臂頂的雷射束反射至光敏二極體陣列啊若測量到，較薄之懸臂表面定鍍上反光材質（
如 a-lú-mih）以增強其反射。其他方法猶閣包括光學干涉法、電容法佮壓電效應法。遮的探頭通常是有採用硩電效應的變形測量器來製造。通過惠斯登電橋，探頭的形變會當予人測著，毋過這種方法無雷射反射法抑是干涉法靈敏。

當做是恆定懸度掃描的時陣，探頭真有可能挵著表面的造成損傷。所以通常會通過這个反饋系統來維持探頭佮樣品片表面的懸度恆定。傳統上，物件予人囥咧硩電管頂懸會使佇 z 方向上徙動以保持佮探頭之間的恆定距離，佇咧 x、y 方向頂懸徙振動來實現掃描。抑是講採用一種「三跤架」技術，三个方向行實現掃描，這種方法部份抑制壓電管掃描時所產生的扭曲效應。佇咧較新的設計內底，探針被裝載佇垂直壓電掃描器上，而且品則用另外的壓電結來掃描 X 和 Y 方向。掃描的結果 _ z=f ( x , y ) _ 就是樣品的形貌圖面。

AFM 會當佇無仝模式下運行。這寡模式會當予人分做靜態模式（Static Mode，嘛講接觸模式，Contact Mode）， 或者是其他一系列動態模式（Dynamic Mode，若是無接觸模式（Non-Contact Mode）、 加減摃模式（Tapping Mode）、 側向力（Lateral Force Mode）模式。

==成做模式==

原子力顯微鏡的主要工作模式有靜態模式佮動態模式兩種。佇靜態模式當中，懸臂對樣品表面划過，對懸臂的偏轉會使直接知影表面的懸度圖。佇動態模式內底，懸臂佇咧其基頻抑是倚近振動，毋過其振幅、相位佮共振佮探針佮樣品間的作用力相關，遮的參數相對外部參考的振動的改變會當出樣品的性質。

===接觸模式===

佇接觸模式下，探針佇樣品表面上「拖動」，通過直接測量懸臂的偏轉抑是反饋信號來保持懸臂佇恆定位置來測量表面的輪達。因為靜態信號容易受著雜訊佮漂移的影響，自按呢用低頭拄仔吊手骨（即勁度係數 $ k $ 比較低的懸臂）來得到很大的偏轉信號，同時保持較低的交互作用力。佇倚近的樣品表面的所在，吸引力可能有夠強的，致使探針佮表面敆牢牢。所以，接觸模式原子力顯微鏡強欲攏總是佇咧整體力為排斥力的深度進行，即時佮固體表面趕緊接觸。

接觸模式對樣品表面的磨損較大，所以適用佇硬度較懸的樣品，如金屬、半導體等。同時，因為接觸模式內底的力較大，無適用佇咧軟、受損害的生物樣品。

===非接觸模式===

佇這種模式下底，懸臂頂懸的探針並無接觸樣品表面，是以比其共振頻率略懸的頻率振動，振幅通常小於幾奈米。范德華力佇探針距離表面樣品一 ~ 三奈米的時陣上強，伊佮其他佇表面上的長程力會降低懸股的振動頻率。通過調整探針佮樣品間的平均距離，頻率的降低佮反饋迴路做伙保持無變的振動頻率抑是振幅。測量 $ ( x , y ) $ 每一个數據點上的探針佮樣品間的距離就會當予掃描軟體構建出樣品表面的形貌。

佇接觸模式下掃描數次通常會傷害樣品佮探針，毋過非接觸模式是袂，這个特點予非常的接觸模式通常用來試看覓柔軟的樣品，如生物組織佮有機的薄膜；猶閣對于堅硬的樣品，兩个模式得著的圖像差不多仝款。毋過，若咧堅硬的物件頂懸有一層薄膜抑是吸著有流體，兩个人的成像差別真大。接觸模式下探針會穿過液體層對成像其下的表面，毋是接觸模式下則探針干焦佇咧吸著的液體層上振動，成做資訊是液體和下表面之和。

動態模式下的成像包括頻率調製佮閣較廣泛使用的振幅調製。頻率調製中，振動頻率的變化提供探針佮樣品間距離的資訊。頻率會當予非常靈敏地測量，所以頻率調製使用非常硬的懸臂，因為佇咧足倚的表面的時陣猶原保持足穩定的；所以這種技術是頭一種佇真懸真空條件下獲得原子級解析度的原子力顯微鏡的技術。振幅調製中，懸臂振幅佮相位的變化提供了圖像的反饋信號，而且這相位的變化會當提來檢測表面的無仝材料。振幅調製會當用佇咧非接觸模式佮間歇接觸領情況。佇動態接觸模式當中，懸臂是振動的，以到懸臂振動懸臂探針佮樣品表面的間距是調製的。振幅調製嘛用佇非接觸模式當中，用來佇超懸真空條件下使用非常硬的懸臂佮真小的振幅來得著原子級解析度。

===加減摃模式===

通常情況下，絕大部份的樣品表面攏有一層彎曲液面，為這無接觸模式下使探針有夠倚近樣品表面對會當測試短節力，但是這个時陣探針閣容易黏貼著原仔是表面，這是定定發生的大問題；動態模式就是為著避免按呢問題發明的，閣叫做'''一間歇接觸模式'''（intermittent contact）、'''加減摃模式'''（tapping mode）抑是 AC 模式（AC Mode）。 佇咧 _ 加減摃模式 _ 中，懸臂通過類似非接觸下的裝載佇探針頂懸微細的硩電元件做來頂下振動，頻率佇咧其共振頻率附近，毋過振幅是遠大於十奈米，大概佇一百 ~ 兩百奈米間。當探針愈倚近這个樣品表面的時陣，探針佮樣品表面間的范德華力、尪仔極作用佮靜電力等作用力會致使振幅愈來愈細。電子自動侍服機通過壓電制動器來控制懸臂佮探針間的距離，做懸臂掃描樣品表面的時陣，侍服機會調整探針佮樣品間距來保持懸臂的預設的振幅，成做交互作用力是得著原子力顯微鏡輕敲模式圖像。輕敲模式減少了接觸模式內底對樣品佮探針佮損傷，伊是按呢的溫和致使會用成做親像固定的磷脂雙分子層佮吸著的單個懸分子鍊。譬如講液相的零交四奈米厚的合成聚合物電解質，佇適合的掃描條件下跤，單分子實驗會當佇幾點鐘內保持穩定。

輕敲模式因為其有效地避免矣橫向摩擦、減細矣探針佮樣品磨損，已經成做今仔日使用上廣泛的 AFM 工作模式。

==優點佮缺點==

相對掃描電子顯微鏡，原子力顯微鏡具有真濟優點。佮電子顯微鏡只會當提供二維圖像，AFM 提供真正三維的表面圖。同時，AFM 無需要對樣品的任何特殊處理，如鍍銅抑是碳，這款處理對樣品會造成袂使倒反的傷害。第三，電子顯微鏡需要運行佇懸真空條件下跤，原子力顯微鏡咧捷壓落甚至佇液體環境之下攏會當有良較好的工課。按呢會當用來研究生物宏觀分子，甚至活的生物組織。伊就敢若青盲的摸象仝款，物體的表面沓沓仔摸，原子的形是足直觀的表現。

佮掃描電子顯微鏡相比，AFM 的缺點佇咧成做範圍傷細，速度慢，受探頭的影響傷大。

==參考資料==

[[分類: 待校正]]