原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM），一种可用来研究包括导体、半导体和绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它的横向分辨率可达0.15m，而纵向分辨率可达0.05m，AFM最大的特点是可以测量表面原子之间的力，AFM可测量的最小力的量级为10-14 -10-16 N。AFM还可以测量表面的弹性，塑性、硬度、黏着力等性质 ，AFM还可以在真空，大气或溶液下工作，也具有仪器结构简单的特点，在材料研究中获得了广泛的研究。

 

它与其他显微镜相比有明显不同，它用一个微小的探针来”摸索”微观世界，AFM超越了光和电子波长对显微镜分辨率的限制，在立体三维上观察物质的形貌，并能获得探与样品相互作用的信息，典型AFM的侧向分辨率（x，y）可达到2nm，垂直分辩牢（方间）小于0。1mmAFM具有操作客易、样品准备简单、操作环境不受限制、分辨率高等优点。

 

二、原子力显微镜的基本原理

AFM中为检测出表面力而精细加工的感知杠杆使用了一端支撑的微小弹簧板。在感知杠杆的尖端有半径几十纳米、非常尖的小探针，感知杠杆从试件表面受到探针的作用力变形。感知杠杆的弹性系数K一般为已知，通过用隧道电流或激光束偏移，来检测感知杠杆在Z方向上的微小位移△Z，可知作用在探针一表面之的局力（F=K△Z）。一边测定该力，一边对试样进行机械的二维扫描，就能得到试样表面力的二维像。为保持力的信号稳定，一边控制试样Z方向的位置，一边扫描试样，记录各点的移动量，就可以得到三维的精细形貌像。

 

当探针尖和试件表面的距离缩小到纳米数量级时，探针尖端原子和试件表面原子间的相互作用力就显示出来，由于原子间距离缩小产生相互作用，造成原子间的高度势垒降低，使系统的总能量降低，于是二者之间产生吸引力（范德华力），如果两原子间距离继续减小接近到原子直径量级时，由于两原子间的电子云的不相容性，两原子间的相互作用为排斥力（库仑力），原子力显微镜就是通过检测探针尖和试件表面原子间的相互作用力而进行测量的。

 

针尖和样品之间的作用力与距离有强烈的依赖关系，所以在扫描过程中利用反馈回路保持针尖和样品之间的作用力恒定，即保持微悬臂的形变量不变，针尖就会随表面的起伏上下移动，记录针尖上下运动的轨迹即可得到表面形貌的信息。

 

三、原子力显微镜的工作环境

 

原子力显微镜受工作环境限制较少，它可以在超高真空、气相、液相和电化学的环境下操作。

 

1.真空环境：最早的扫描隧道显微镜（STA）研究是在超高真空下进行操作的。后来，随着AFM的出现，人们开始使用真空AFM研究固体表面。真空AFM避免了大气中杂质和水膜的干扰，但其操作较复杂。

 

2.气相环境：在气相环境中，AFM操作比较容易，它是广泛采用的一种工作环境。因AFM操作不受样品导电性的限制，它可在空气中研究任何固体表面，气相环境中AFM多受样品表面水膜干扰。

 

3.液相环境：在液相环境中。AFM是把探针和样品放在液池中工作，它可以在液相中研究样品的形貌。液相中AFM消除了针尖和样品之间的毛细现象，因此减少了针尖对样品的总作用力，液相AFM的应用十分广阔，它包括生物体系、腐蚀或任一液固界面的研究。

 

4.电化学环境：正如超高真空系统一样，电化学系统为AFM提供了另一种控制环境，电化学AFM是在原有AFM基础上添加了电解双恒电位仪和相应的应用软件，电化学AFM可以现场研究电极的性质，包括化学和电化学过程诱导的吸附、腐蚀以及有机和物分子在电极表面的沉积和形态变化等。