尽管扫描隧道显微镜有许多现代表面分析仪器所不能比拟的优点，但因其本身工作原理造成的局限性也显而易见。由于扫描隧道显微镜是利用隧道电流进行表面形貌及表面电子结构性质的研究，所以只能对导体和半导体样品进行研究，不能直接用来观察和研究绝缘体样品和有较厚氧化层的样品。如果要观察非导电材料，就要在其表面覆盖一层导电膜，而导电膜的存在往往会掩盖样品表面的结构细节，使扫描隧道显微镜不能在原子级水平研究表面结构。为了弥补扫描隧道显微镜这一不足，在扫描隧道显微镜的基础上发展了原子力显微镜（AFM）。
原子力显微镜是在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的，两者的原理各有异同，如图3-49所示。两者的异同点列于表3-7。
图3-49 扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理的比较
表3-7 原子力显微镜与扫描隧道显微镜的异同点
（一）原子力显微镜的组成
与扫描隧道显微镜类似，原子力显微镜主要由探针扫描系统、力检测与反馈系统、数据处理与显示系统、振动隔离系统（图中未标出）等组成，如图3-50所示。这四个部分中，探针扫描系统是原子力显微镜与扫描隧道显微镜的最主要区别，其余三个子系统与扫描隧道显微镜基本一致。力检测器是原子力显微镜最核心的部分，该部分又可分为两部分：由针尖和微悬臂组成的力传感器与检测微悬臂弯曲变形的光电装置。
图3-50 原子力显微镜的系统组成
1.力传感器 原子力显微镜是利用一个对力敏感的微悬臂感受针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像。将一个对微弱力极敏感的弹性微悬臂一端固定在压电陶瓷扫描器上，另一端黏附针尖；当针尖与样品表面逐渐接近，针尖尖端的原子就会与样品表面原子之间产生极微弱的作用力（10-6～10-8N），从而导致微悬臂发生微小的弹性形变。针尖和样品间作用力F与微悬臂的形变d之间遵循胡克定律：
式中：k——微悬臂的弹性系数；
d——微悬臂的弯曲形变距离。
通过测定微悬臂形变量的大小，就可获得针尖与样品之间作用力的大小。
对于同一种材料制成的传感器，主要考察其力学特征k和固有频率fr，以及针尖的形状和尺寸。
（1）针尖。探针是原子力显微镜的核心部件，针尖形状直接影响原子力显微镜的分辨率。针尖的表现依赖于其形状和尺寸，并与化学组成和表面性质密切相关。
传统针尖由单晶硅（Si）和氮化硅（Si3N4）制作。在接触模式下，针尖只与样品中在针尖附近的几个原子接触，若样品平整，宏观针形影响不大，金字塔针尖或短圆锥形针尖均可（图3-51）。在非接触模式下，由于针尖大部分与样品表面相互作用，则要求针尖为细长圆锥形，高宽比典型值为3∶1～10∶1。常用的金字塔形针尖，锥角一般为20°～30°，硅针尖的曲率半径为5～10nm，氮化硅的曲率半径为20～60nm。
图3-51 针尖形状
对于形状相同的针尖，针尖粗细或锥角对扫描精度也有非常大的影响。针尖越细长，扫描图像就越接近样品表面的真实形貌。一般情况下，细长的圆锥形或圆柱形针尖能够获得较为真实的样品表面形貌。
（2）微悬臂。微悬臂的形状有矩形和三角形两种，如图3-52所示。
图3-52 矩形微悬臂和三角形微悬臂
微悬臂的材料、形状和结构设计直接影响原子力显微镜的分辨率和噪声水平。为达到原子级分辨率，微悬臂必须有很小的力弹性常数k，即受到很小的力，微悬臂就会发生可被检测的形变。微悬臂的弹性常数k一般为0.01～100N/m。此外，微悬臂还必须同时具有高的共振频率fr，通常应大于10kHz，以减小振动和声波的干扰。
图3-53 微悬臂的激光检测原理
2.光电检测装置 原子力显微镜微悬臂弯曲变形的检测方法主要有隧道电流法、电容法、压敏电阻法、光干涉法、激光反射法。目前原子力显微镜大都采用激光反射法检测微悬臂的弯曲变形。(www.xing528.com)
微悬臂的激光检测原理如图3-53所示。二极管激光器发出的激光束经过光学系统聚集在微悬臂背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器。当针尖与样品之间存在力的作用时会使微悬臂摆动。当激光照射在微悬臂末端时，其反射光的位置也会有所改变，从而产生偏移量。光斑检测器将偏移量记录下来并转换成电信号，即可确定微悬臂发生变形的程度和方向，并由此计算原子间的距离和相对位移。
（二）原子力显微镜工作模式
当原子力显微镜的微悬臂与样品表面原子相互作用时，通常有几种力同时作用于微悬臂，但最主要的是范德华力。范德华力与针尖—样品表面间的距离关系曲线如图3-54所示。当两个原子相互接近时，相互之间会产生吸引力；随着原子间距离逐渐减小，两个原子的电子排斥力开始抵消吸引力，直至针尖原子与样品表面原子之间的距离为几埃（10-10m，约为分子键长）时，引力和斥力达到平衡。当针尖与样品表面间的距离进一步减小时，排斥力急剧增加，范德华力由正变负（排斥力）。因此，针尖与样品间处于不同的距离，会产生不同性质的力，利用这一特点，可以实现原子力显微镜的不同工作模式（图3-55）：接触模式，针尖和样品表面发生接触，原子间表现为斥力；非接触模式，针尖和样品间相距数十纳米，原子间表现为引力；轻敲模式，针尖和样品间相距几到几十纳米，原子间表现为引力，但在微悬臂振动时，两者能间隙性发生接触。表3-8列出了这三种工作模式的区别。
图3-54 针尖—样品间距离与范德华力及工作模式的关系
图3-55 原子力显微镜的三种工作模式
表3-8 原子力显微镜的三种工作模式比较
1.接触模式 接触模式是原子力显微镜最常使用的操作模式。在接触模式中，针尖始终和样品接触，以恒流或恒高模式进行扫描。大多数情况下，接触模式都可以产生稳定的、分辨率高的图像。接触模式在大气和液体环境下都可实现，但该模式不适用于研究生物大分子、低弹性模量样品以及容易移动和变形的样品。
接触模式中，探针微悬臂的硬度不能太大，以保证在很小的作用力下也可检测到微悬臂的弯曲变形。目前，使用接触模式的探针微悬臂弹性常数基本上都小于1N/m。
2.非接触模式 为避免接触模式的扫描过程对样品或针尖造成损坏，发明了非接触模式。非接触模式通常采用力弹性常数k较高（几十牛每米）、共振频率也较高的微悬臂，在压电陶瓷驱动器的激励下，在共振频率附近产生振动，通过检测微悬臂振幅（或频率）的变化，就能获得样品的表面形貌。
该模式中，当针尖和样品的间距较大时，其相互之间的作用力很小（pN级），因而分辨率比接触模式和轻敲模式低。这种模式操作较困难，不适于在液体中成像，在实际中较少使用。
3.轻敲模式 轻敲模式又称间歇接触模式、动态力模式，是一种介于接触模式和非接触模式之间的模式。在轻敲模式中，微悬臂在其共振频率附近做受迫运动，振荡的针尖轻轻敲击样品表面，间断地和样品接触，其分辨率与接触模式相当。由于接触时间短，针尖与样品间的作用力很弱，通常为1pN，剪切力引起的分辨率降低和对样品的破坏消失，故适用于对生物大分子、聚合物等软样品进行成像研究。对于一些与基底结合不牢固的样品，与接触模式相比，轻敲模式大大降低了针尖对表面结构的“搬运效应”。
轻敲模式在大气和液体环境中都可实现。轻敲模式一般采用调制振幅恒定的方式进行恒力模式的扫描，也可采用频率调制技术来测量扫描过程中的频率变化。
图3-56 相位成像原理
4.相位成像模式 轻敲模式除了实现小作用力的成像以外，另一个重要应用就是相位成像技术（phase imaging）。通过测定扫描过程中微悬臂的振荡相位和压电陶瓷驱动信号的振荡相位之间的差值来研究材料的力学性质和样品表面的不同性质。
相位成像原理如图3-56所示。在原子力显微镜轻敲模式下，微悬臂在压电陶瓷驱动器激励下产生共振，微悬臂的振幅被用作反馈信号和样品表面形貌成像。而与微悬臂压电陶瓷驱动器的信号相比，微悬臂振幅的相位相对滞后，这种相对滞后的相位在轻敲模式扫描过程中被同步记录，相位的滞后程度对样品的表面性质（如黏弹性）非常敏感。
在用原子力显微镜轻敲模式作图像的同时启动相位成像，既不会影响原来的扫描速度也不会影响图像的分辨率。相位成像主要应用于合成物质的特性研究、表面摩擦力、黏着力成像以及表面污染的辨别。其应用的领域还在不断扩展，要实现在纳米尺度上进一步研究材料的特性，相位成像技术不可缺少。图3-57是木材纸浆纤维的轻敲模式形貌图和相位图，在相位图中可以看到形貌图中看不到的木质素结构。图3-58为某联合填料的形貌及相位图，相位图中的亮点为黏附的聚酰亚胺（扫描范围为1.5μm×1.5μm）。
图3-57 木材纸浆纤维的轻敲模式形貌图和相位图
图3-58 某联合填料的形貌图和相位图
（三）力—距离曲线
原子力显微镜原理是通过微悬臂来感知针尖和样品之间的相互作用力，针尖和样品之间作用力的变化是获取样品表面信息的唯一来源，而这种相互作用的变化与针尖—样品间距离的变化息息相关。
在测定力—曲线时，仪器记录的是微悬臂与样品之间的相对位移Z，而不是针尖与样品之间的实际距离D。这是由于在测量过程中，针尖与样品表面之间存在相互作用力，导致微悬臂发生弯曲变形δ。它们之间的关系如下：D=Z-δ。因此，原子力显微镜所测得的原始的力曲线是力—位移曲线，而不是力—距离曲线。力—距离曲线是通过处理原始数据，计算出针尖与样品之间的真实距离后，再对应作用力所绘出的曲线。
原子力显微镜的力—距离曲线描述了针尖在接近—接触—远离样品表面时所受到的力的变化。三角形微悬臂的力—距离曲线与矩形微悬臂基本一致。原子力显微镜力—距离曲线的一个最直观应用是判断样品表面的黏弹性、样品的硬度及黏附性质。图3-59显示了不同样品表面黏弹性所对应的力—距离曲线。
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