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原子力显微镜的工作模式是以针尖与样品之间的作用力来分类

发布时间: 2022-09-08  点击次数: 8次
  高精度原子力显微镜的工作模式是以针尖与样品之间的作用力的形式来分类的。主要有以下3种操作模式:接触模式,非接触模式和敲击模式。
 
  1、接触模式
 
  从概念上来理解,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。若样品表面柔嫩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。
 
  2、非接触模式
 
  非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方5~10nm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,样品不会被破坏,而且针尖也不会被污染,特别适合于研究柔嫩物体的表面。这种操作模式的不利之处在于要在室温大气环境下实现这种模式十分困难。
 
  因为样品表面不可避免地会积聚薄薄的一层水,它会在样品与针尖之间搭起一小小的毛细桥,将针尖与表面吸在一起,从而增加对表面的压力。
 
  3、敲击模式
 
  敲击模式介于接触模式和非接触模式之间,是一个杂化的概念。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/敲击样品表面。这就意味着针尖接触样品时所产生的侧向力被明显地减小了。因此当检测柔嫩的样品时,AFM的敲击模式是好的选择之一。一旦AFM开始对样品进行成像扫描,装置随即将有关数据输入系统,如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰顶之间的最大距离等,用于物体表面分析。同时,AFM还可以完成力的测量工作,测量悬臂的弯曲程度来确定针尖与样品之间的作用力大小。
 
  三种模式的比较
 
  1、接触模式(ContactMode):
 
  优点:扫描速度快,是能够获得“原子分辨率”图像的AFM垂直方向上有明显变化的质硬样品,有时更适于用ContactMode扫描成像。
 
  缺点:横向力影响图像质量。在空气中,因为样品表面吸附液层的毛细作用,使针尖与样品之间的粘着力很大。横向力与粘着力的合力导致图像空间分辨率降低,而且针尖刮擦样品会损坏软质样品(如生物样品,聚合体等)。
 
  2、非接触模式(Non-ContactMode):
 
  优点:没有力作用于样品表面。
 
  缺点:由于针尖与样品分离,横向分辨率低;为了避免接触吸附层而导致针尖胶粘,其扫描速度低于TappingMode和ContactModeAFM。通常仅用于非常怕水的样品,吸附液层必须薄,如果太厚,针尖会陷入液层,引起反馈不稳,刮擦样品。由于上述缺点,on-contactMode的使用受到限制。
 
  3、轻敲模式(TappingMode):
 
  优点:很好的消除了横向力的影响。降低了由吸附液层引起的力,图像分辨率高,适于观测软、易碎、或胶粘性样品,不会损伤其表面。
 
  缺点:比Contact Mode AFM 的扫描速度慢。

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