与光学显微镜和电子显微镜相比，原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种截然不同的显微镜。它利用微悬臂感受和放大微悬臂上纳米级探针与被测样品原子之间的作用力来检测样品的表面形貌，从而达到检测目的，具有原子级的分辨率。

图32－1 硅探针的针尖和微悬臂的扫描电镜照片

图32－1是硅探针的扫描电镜照片。针尖在样品表面扫描时，针尖和样品之间会发生相互作用，与距离密切相关的针尖－样品相互作用会引起微悬臂的形变，通过形变量就可以了解针尖－样品之间的相互作用，获取样品表面形貌的三维信息。与电子显微镜相比，AFM具有许多优点。电子显微镜仅能提供二维图像，AFM能够提供真正的三维表面图。AFM不需要对样品做任何特殊处理，如镀铜或碳，而这种处理对样品会造成不可逆转的损害。电子显微镜需要在高真空条件下运行，AFM在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。AFM可以用来研究生物大分子，甚至活的生物组织。

AFM的工作原理如图32－2所示。通常核心部件有四个：

①执行 X 、 Y 方向光栅扫描和 Z 轴定位的压电扫描器；

②反馈光路提供电源的激光系统；

③进行力－距离反馈的微悬臂系统；

④接受光反馈信号的光电探测器。

除此之外还有计算机控制系统与数据处理软件、粗略定位系统和光学显微成像辅助定位系统、防震防噪系统和环境控制系统等。如图32－2所示，激光器发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置光电探测器。在扫描样品时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移。因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。

当探针与样品间距离不同时，探针所受的力也是不同的。根据针尖和样品之间的作用力的形式，可以将AFM的工作模式分为三大类型：接触模式（Contact Mode）、非接触模式（Non－contact Mode）和轻敲模式（Tapping Mode）。接触模式是AFM最直接的成像模式。正如名字所描述的那样，AFM在整个扫描成像过程之中，探针针尖始终与样品表面紧密接触，但悬臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构。若样品表面柔软而不能承受这样的力，便不宜选用接触模式对样品表面进行成像。接触模式所产生的图像比较稳定，且分辨率较高，针尖与样品之间的距离小于零点几个纳米，针尖与样品之间的作用力为排斥力。

在测量过程中，保持样品与针尖之间的相互作用力不变，不断调整针尖与样品之间距离，这种测量模式称为恒力模式。如果样品表面比较平滑，则保持针尖与样品之间距离恒定的测量模式为恒高模式，此时针尖与样品间的相互作用力的大小直接反映了表面的高低。当被测物体的弹性模量较低，同基底间的吸附接触也很弱时，针尖与样品之间的相互作用力容易使样品发生变形，降低图片质量。图32－3给出了AFM在不同操作模式下针尖和样品相互作用力曲线中的工作区间和力的属性。

非接触模式则和接触模式相对，针尖在样品上方振动但是始终不与样品表面接触，对样品没有破坏作用，而且针尖也不会被污染，特别适合于研究柔软物体的表面。非接触模式针尖和样品间的距离在几到几十纳米的吸引力区域，针尖检测的是范德华吸引力和静电力等长程力，比接触式小几个数量级，其力梯度为正，随着针尖与样品距离减小而增大。由于非接触模式针尖与样品之间距离较大，分辨率较接触式低，不适合在液体中成像，在生物样品的研究中也不常见。

轻敲模式是介于上述两种模式之间的扫描方式，扫描时用一个小压电陶瓷元件驱动微悬臂振动，在悬臂梁的固有共振频率附近以更大的振幅（＞20 nm）驱动悬臂梁，使得针尖与样品间断地接触。当针尖没有接触到表面时，微悬臂以一定的大振幅振动，当针尖接近表面直至轻轻接触表面时，振幅将减小；而当针尖反向远离时，振幅又恢复到原值。反馈系统通过检测该振幅来不断调整针尖与样品间的距离，从而控制微悬臂的振幅，使得作用在样品上的力保持恒定。由于轻敲模式针尖和样品接触，分辨率几乎与接触模式一样好，又因为接触时间非常短暂，剪切力引起的样品破坏几乎完全消失，特别适合于分析柔软、黏性和脆性的样品，并适合在液体中成像。

随着AFM的广泛应用，其技术也在不断地发展。目前人们利用AFM不仅仅能够观察到样品的表面形貌特征，还可以通过获取反映样品表面起伏的准确数值对表面整体形貌进行分析，得到表面的粗糙度（Roughness）、颗粒度（Granularity）、平均梯度（Step Height）、孔结构和孔径分布等参数，从而获得样品的压弹性、黏弹性、硬度等物理属性。根据针尖与样品材料的不同及针尖与样品间距离的不同，针尖与样品间的作用力可以是原子间斥力、范德华吸引力、弹性力、黏附力、磁力和静电力以及针尖在扫描时产生的摩擦力。AFM不仅可以观察样品表面形貌，还可以分析与作用力相应的表面性质。摩擦力显微镜（LFM）是在AFM表面形貌成像基础上发展的新技术之一。由于材料表面中的不同组分难以在形貌图像中区分开来，而且污染物也有可能覆盖样品的真实表面，LFM恰好可以研究那些形貌上相对较难区分、而又具有相对不同摩擦特性的多组分材料表面。