学术干货 | 原子力显微镜在材料研究中如何大显身手

原子力显微镜(AFM)可能很多人都听过，一种相对比较高级的扫描探针显微镜，对于材料表面形貌和结构进行分析测试的有效手段之一，利用AFM可以直接观察到物质的分子和原子，并以非常清楚的图像呈现在观察者的眼前。那么AFM的是怎么样工作的呢？具体又有哪些应用呢？下面就小编就这些问题给您说说。

一、AFM的测试原理

测试的原理图如下所示，当探针在材料表面扫描的时候，样品与表面原子之间的斥力会使得微悬臂轻微变形，这样微小的变形可以通过检测器精确测量，从而实现了通过探针与材料表面原子斥力来得到材料表面形貌和结构的信息。

二、工作方式

目前AFM的工作方式有三种，分别是接触模式，非接触模式和敲击模式。

接触模式：

就是利用探针与材料表面直接接触来获得材料结构和形貌信息的方式，这样的方式测试出来的图像分别率高，但是很容易损伤测试材料的表面，探针也会受到材料的污染，同时可能会因为探针与材料表面的粘滞力造成图像失真；

非接触式：

顾名思义就是探针与材料表面没有直接接触，这样的方式就避免了接触模式的一些缺点，探针也不会受到污染，但是由于探针和材料表面不是直接接触的（相距5-10nm），探针和材料表面的原子的作用力较弱，造成了图像的分辨率较低，而且会因为材料的表面张力使得图像变形；

敲击模式：

这是一种较为先进的测试模式，和上述两种方式都不一样，就是探针既不是直接接触材料表面，也不是完全脱离表面，而是通过探针不断垂直敲击（大约每秒5×10⁴-50×10⁴次）材料的表面来获得我们所想要的材料表面形貌和结构的信息，这样就既不会损坏材料表面也会得到较高分辨率（当然还是没有接触模式图像分辨率高），因此当检测柔嫩的样品时，AFM的敲击模式是最好的选择之一。但是测试的速度相对较慢。

三、材料领域的应用

1、材料形貌

AFM在水平方向具有0.1-0.2nm的高分辨率，在垂直方向的分辨率约为0.01nm。AFM对表面整体图像进行分析可得到样品表面的粗糙度、颗粒度、平均梯度、孔结构和孔径分布等参数，还可以对测试的结果进行三维模拟，得到更加直观的3D图像。

AFM还可以在分子或原子水平直接观察晶体或非晶体的形貌、缺陷、空位能、聚集能及各种力的相互作用，对于其性能的预测及解释有着重要的作用。

AFM中虽然不能进行元素分析，但它在Phase Image模式下可以根据材料的某些物理性能的不同来提供成分的信息

2、晶体生长机理

在研究纳米晶生长机理的时候，人们希望用显微手段直接观察到晶面生长的过程，AFM为我们提供了在一个原子级观测研究晶体生长界面过程的全新有效工具。由于AFM的工作条件要求低，它可以晶体生长过程原子级的图像，为完善和修正现有的晶体生长理论提供了强大的技术支撑。

四、与扫描电镜的区别

可能有的人会问了，既然是测试材料表面的结构与形貌，SEM也是可以的，但是这二者的区别又在哪呢？

不同于SEM只能提供二维图像，AFM提供真正的三维表面图。同时，AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。其次，SEM需要运行在高真空条件下，AFM在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织。和SEM相比，AFM的缺点在于成像范围太小,速度慢，受探头的影响太大。当然二者的工作原理也是不同的，SEM是利用电子与物质的相互作用。

图 附着纳米颗粒的碳纳米管AFM图

图 附着纳米颗粒的碳纳米管SEM图

小结：

总之，AFM很强大，可以克服许多电镜测试中的很多缺点，为材料的科学的研究提供了强大的工具和手段，促使材料科学朝着更加快速、正确的方向去发展。可能在各位材料人的科研生涯中会经常用到哦！

本文由材料人编辑部学术组淡年华供稿，材料牛编辑整理。

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