1.引言随着人类科研的不断发展, 纳米尺度上物质的结构、相互作用以及一些特殊的现象等越来越受到关注, 所以各种研究方法和仪器手段也应运而生。

原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）利用其微悬臂上尖细探针与样品的原子之间的作用力，从而达到检测的目的。

其具有原子级的分辨率[1]。

由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不能观察非导体的不足。

图1 原子力显微镜原子力显微镜的原理及其在材料科学上的应用摘要本文介绍了原子力显微镜的发展过程、探测原理等方面，从原子力显微镜对于材料表面形貌分析，粉体材料分析，纳米材料分析等方面，综述了原子力显微镜技术在材料科学学方面的应用，并展望原子力显微镜在未来的发展关键词原子力显微镜工作模式特点表面形貌AbstractThis article provide information of AFM(Atomic Force Microscope),about the development,the principle, from AFM on analyzing surface of material ,dusty material and nanometer size material. And look into the future of AFMKey wordAFM working model characteristic surface2.仪器工作原理AFM通常由氮化硼作为一个灵敏的弹性微悬臂，在其尖端有一个用来在样品表面上扫描的很尖细的探针。

假设有两个原子，一个是在微悬臂的探针尖端，另一个是在样品的表面，它们之间的作用力会随着距离的变化而变化。

当原子和原子很接近时，彼此的电子云排斥力作用会大于原子核与电子云之间的吸引作用，其合力表现为排斥作用。

反之，若两原子分开到一定距离时，其电子云的排斥作用小于彼此原子核与电子云之间的吸引力作用，故其合力表现为吸引作用。

原子力显微镜就是利用微小探针与待测原子之间的这种交互作用力的微妙变化，来显现表面原子的形貌。

[2]在原子力显微镜中，根据利用原子间的排斥力或吸引力方式的不同，发展出了两种工作模式：（1）利用原子之间的排斥力的变化而产生样品表面轮廓，从而发展了接触式原子力显微镜（Contact AFM），其探针与样品表面的距离约为零点几个纳米。

（2）利用原子之间的吸引力的变化而产生样品表面轮廓，从而发展了非接触式原子力显微镜（Non-Contact AFM）其探针与样品表面的距离约为几到几十纳米。

图2 原子与原子之间的交互作用在原子力显微镜系统中，使用一个灵活的微悬臂来感应针尖与样品之间的交互作用力，该作用力随样品表面形态而变化，它会使微悬臂随之摆动。

将一束激光照射在微悬臂的末端，当微悬臂摆动时，会使反射激光的位置改变而造成偏移量，用激光检测器记录此偏移量，同时将此信号传递给反馈系统，以利于系统做适当的调整，从而将样品表面特征以影像的方式显现出来[3]。

（如图 3）。

图3 原子力显微镜的探测原理示意图3.原子力显微镜的结构3.1力检测系统原子力显微镜使用微小悬臂来检测原子之间力的变化量。

微悬臂通常由一个100到500μm长和大约500nm到5μm厚的硅片或氮化硅片制成。

微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品－针尖间的相互作用力。

图4 原子力显微镜微悬臂3.2位置检测系统当原子力显微镜的微悬臂与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂摆动。

当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会随着悬臂摆动而有所改变，造成偏移量的产生。

在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电信号，控制器再将电信号转化为图像反映到显示屏上[4]。

3.3反馈系统当信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号同时对整个显微镜系统进行调整，进而驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力，并防止微悬臂过度撞击样品从而导致微悬臂和样品的损坏[5]。

3.原子力显微镜工作模式根据针尖与样品作用方式不同，原子力显微镜的操作模式主要可以划分为接触式、非接触式和间歇接触式等三种3.1接触式接触模式是AFM最直接的成像模式。

AFM在整个扫描成像过程之中，探针针尖始终与样品表面保持紧密的接触，而相互作用力是排斥力。

扫描时，悬臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构，因此力的大小范围在10-10～10-6N。

此方法不适合于表面柔软的样品。

3.2 非接触式非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方5～10 nm 的距离处振荡。

这时，样品与针尖之间的相互作用由范德华力控制，通常为10-12N ，从而不会破坏样品的表面，而且针尖也不会被污染，适合于研究柔嫩物体的表面。

这种操作模式的缺点是在室温大气环境下难以使用。

因为样品表面会积聚薄薄的一层水，它会在样品与针尖之间搭起一个小的毛细桥，从而把针尖和表面吸在一起，导致尖端对表面的压力的增加。

3.3 间歇接触式间歇接触式介于接触模式和非接触模式之间。

悬臂在试样表面上方以其共振频率振荡，针尖仅仅是周期性地短暂地接触样品表面。

从而使针尖接触样品时所产生的侧向力被明显地减小了.探测表面柔软的样本时，间歇接触式是最好的方法[3]。

4.原子力显微镜特点(1) 待测样品无需导电(2) 可得到高分辨物体表面的三维形貌(3) 可以在多种环境(如真空、大气、溶液、低温等)下工作(4) 可以进行连续动态分析[6]5.原子力显微镜在材料科学上的应用5.1原子力显微镜对于材料表面形貌的探测通过原子力显微镜对于材料表面形貌成像时，微悬臂探针与样品之间的作用力变化可反映样品表面的三维形貌。

由于样品表面的高低起伏形貌能够准确地通过数值的形式得到。

原子力显微镜对材料表面整体图像进行分析就可以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。

原子力显微镜也可对样品的形貌进行丰富的三维模拟显示，使图像更适合于人的肉眼直接观察。

图5为接触模式下得到的镀银薄膜表面的原子力图像[4]。

图 7 镀银薄表面三维成像5.2 原子力显微镜对于粉体材料的分析在粉体材料领域的研究中，通过原子力显微镜可以从分子或原子水平尺度直接观察到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。

粉体材料大量存应用于工业生产中，但目前对粉体材料的检测方法比较少，制样也比较困难。

而原子力显微镜作为一种新的检测手段，其制样简单，容易操作。

S.Sohila等人用化学法制备了SnS粉体，并将SnS粉体旋涂在硅基板上进行原子力显微镜成像，如图6所示．从图中可以看出，球形SnS纳米粒子分布均匀，单个粒子尺寸大约为15nm[7]。

图 6 SnS粉体材料在原子力显微镜下的成像5.3原子力显微镜对晶体生长方面的应用科研者们在晶体的生长理论在其发展过程的过程中提出了很多模型，但是这些模型大多来自于理论分析的间接研究，其和真实的晶体生长情况究竟是否相同，这是研究者们最为关心的，因此人们希望通过显微镜直接观察晶面的生长过程。

虽然研究者们利用光学显微镜、相衬干涉显微镜、激光全息干涉术等对晶体晶面的生长观测也取得了一些成果，但是由于这些显微技术分辨率太低，放大倍数不足，或者实验条件要求过高，所以出现了很多的限制因素，难以对生长界面进行纳米尺度级别的分子和原子进行直接的观测。

原子力显微镜的发展则为研究者们提供了一个纳米尺度观测，研究晶体生长界面过程的全新而有效的手段。

利用其高的分辨率和可以在溶液与大气环境下工作的特点，研究者们能够精确地实时观察生长界面的纳米尺度的分辨图像、了解界面生长过程和机理。

潘秀红(2007年)等人利用原子力显微镜研究了快速生长的BaB2O4单晶固液界面形状的演化和晶体(0001)显露上的台阶形貌．(如图7)，晶体的表面台阶的形貌与晶体生长的方向密切相关，沿着<1010>方向运动的台阶束构成台阶流形貌，而沿着<0110>方向运动的台阶束则表现为台阶片段的形貌[8]。

图 7 单晶(0001)表面的ＡＦＭ观察形貌6 原子力显微镜在未来发展的展望人类是必然不会止步于现阶段科技发展的成就的，随着科技的发展，随着人类对于微观世界进一步的探求，原子力显微镜技术必然会得到一个更好的发展。

作为材料科学方面一个重要的探测手段，现阶段的原子力显微镜尽管已经得到很大的发展，但仍旧有很多的缺点不能克服，比如成像范围太小，速度慢，受探头的影响太大。

所以可以预计到的是，将来的原子力显微镜的发展将向着这样的几个方向。

(1) 发展扫描速度快的原子力显微镜，从而捕捉的分子之间反应的瞬间; (2) 发展能够识别分子种类的原子力显微镜从而能够区分复杂体系中形貌类似的高分子分子; (3) 发展扫描范围大的原子力显微镜，从而能够对于一些较大的高分子聚合物进行成像研究。

7.参考文献[1]马荣骏. 原子力显微镜及其应用[J].矿治工程.2005.08:62-65.[2]王斌陈集饶小桐.现代分析测试方法[M].石油工业出版社.2008.9：327.[3]周玉武高辉.材料分析测试技术[M].哈尔滨工业大学出版社.2007.6:256-258[4]刘有台．原子力显微镜原理及应用技术[J].生物在线.2007．[5]喻敏. 原子力显微镜的原理及应用[J]. 北京大学生物医学工程.2005.[6]Mathias Gaken,Studies of Metallic Surfaces and Microstructures with AtomicForce.Microscopy[J]．Veeco Instruments Inc,2004．[7]S.Sohila, M.Rajalakshmi, Chanchal Ghosh. Optical and Raman scattering studies on SnSnanoparticles[J].Journal of Aloys and Compounds,2011,509:5843-5847[8]潘秀红，金蔚青，刘岩，等．BaB2O4单晶快速生长时的界面形态与表面台阶形貌[J]．中国科学，2007,37(3):403-408。