原子力显微镜(Atomic Force Microscopy，AFM)是由IBM公司的Binnig与史丹佛大学的Quate于1985年所发明的，其目的是为了使非导体也可以采用扫描探针显微镜（SPM）进行观测。

原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）最大的差别在于并非利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范德华力（Van Der Waals Force）作用来呈现样品的表面特性。

原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）通常使用一个一端固定而另一端带有针尖的弹性微悬臂来检测样品表面形貌或其他表面性质的。当样品或针尖扫描时，同距离有关的针尖样品间相互作用力（既可能是吸引的，也可能是排斥的）就会引起微悬臂发生形变。也就是说微悬臂的形变可作为样品-针尖相互作用力的直接度量。一束激光照射到微悬臂的背面以将激光束反射到一个光电检测器，检测器不同象限接收到的激光强度差值同微悬臂的形变量会形成一定比例关系，因而可以用来检测力。

假设两个原子中，一个是在悬臂（cantilever）的探针尖端，另一个是在样本的表面，它们之间的作用力会随距离的改变而变化，其作用力与距离的关系如图3.1所示，当原子与原子很接近时，彼此电子云斥力的作用大于原子核与电子云之间的吸引力作用，所以整个合力表现为斥力的作用，反之若两原子分开有一定距离时，其电子云斥力的作用小于彼此原子核与电子云之间的吸引力作用，故整个合力表现为引力的作用。

图3.1 原子与原子之间的相互用力随距离的变化

激光检测原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。下面，我们以激光检测原子力显微镜（Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection, Laser-AFM）——扫描探针显微镜家族中最常用的一种为例，来详细说明其工作原理。

如图3.2所示，二极管激光器（Laser Diode）发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂（Cantilever）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（Detector）。在样品扫描时，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。在系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的距离始终保持在纳米（10-9米）量级，距离太大不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品，反馈回路(Feedback)的作用就是在工作过程中，由探针得到探针-样品相互作用的强度，来改变加在样品扫描器垂直方向的电压，从而使样品伸缩，调节探针和被测样品间的距离，反过来控制探针-样品相互作用的强度，实现反馈控制。因此，反馈控制是本系统的核心工作机制。本系统采用数字反馈控制回路，用户在控制软件的参数工具栏通过以参考信号、积分增益和比例增益几个参数的设置来对该反馈回路的特性进行控制。

图3.2. 激光检测原子力显微镜探针工作示意图

从测量原理上看，各种AFM的工作方式或模式主要有以下四种：

①恒力模式成像：AFM的恒力成像模式使用最广泛，同时也是最容易理解的扫描成像过程。通过反馈回路来保持微悬臂形变量不变，从而控制力的恒定。在校正了压电陶瓷驱动器在Z方向的压电系数后，可利用控制压电陶瓷在Z方向的伸缩长度的反馈输出电压Vz来实现形貌成像。

②变化的形变模式（恒高模式成像）：在扫描过程中，检测器直接测量微悬臂的形变量。如果力的相对变化不是太大，这种模式可用与恒力模式相似的方式来解释。与恒力模式有所不同，因为没有使用反馈回路，可采用更高的扫描速度。

③恒力梯度模式成像：微悬臂是振动的，检测器通过锁相技术来测量信号。调制频率选在悬臂机械共振频率附近，可保持共振频率恒定来测量成像（f∝(k-f’)1/2。而另外一种相近的方法则是，用频率调制（FM）检测器直接测量频率的变化。这个方法的优点就是能非常有效的应用高Q值悬臂。

④谱学模式(力-距离曲线测量的工作模式)：力-距离曲线一般是在扫描范围内选取的几个样品位置点上测量。得到具有空间分辨的力-距离曲线，可测量出毛细力以及液态膜厚度的变化。随着谱学方法在AFM中的广泛应用，通过力-距离曲线可以测量探针与材料表面间各种相互作用力。

AFM的形貌成像工作方式主要分为三种类型:接触模式（Contact Mode），非接触模式（Non-contact Mode），轻敲模式（Tapping Mode）。这三种模式的主要差别在于样品与针尖的距离不同，上面图1给出了三种操作模式下针尖和样品相互作用力的属性和区间。

接触模式

接触模式是指当针尖在样品表面扫描时，针尖与样品始终保持接触状态，此模式下容易产生分辨率高又稳定的图像。针尖同样品的距离处于小于零点几个nm的斥力区，对应于图1-3中的1-2段。当针尖相对于样品在X或Y方向进行扫描时，由于表面的起伏导致两者间的斥力发生变化，导致微悬臂发生一定程度的额外形变，反应到光电探测器中会导致探测器的值发生变化。反馈回路根据探测器的信号与初始值的差别，不断调整针尖与样品间的距离，并由此保持针尖与样品间的作用力不变。记录下扫描过程中的距离变化信息就可以得到表面形貌图像，这种测量模式也被称为恒力模式。由于针尖与样品处于紧密接触状态，使得操作不当容易对样品或针尖造成损坏。对于柔性或粘性的样品，两者之间的压迫力和摩擦力容易使样品发生变形，从而降低测量得到的图像的质量。

非接触模式

非接触模式中的针尖始终在样品上方振动而不与样品接触。此时样品与针尖的距离大致在几纳米到几十纳米之间，在这个距离起作用的是包如范德瓦尔斯力和静电力等的长程力，主要为吸引力，对应的是图1-3中的3-4段。这种模式针尖与样品的作用力比接触模式要小几个数量级，好处是对样品不会有破坏作用。在这段中力梯度（斜率）恒为正，且随距离的减小而增大。由于有效共振频率与力梯度大小有关，当微悬臂以共振频率接近样品时将会受到递增的力梯度作用，从而导致微悬臂的有效共振频率减小。共振频率的变化会导致微悬臂的振幅明显减小，此时的振幅变化量对应于力梯度量，也对应于针尖与样品的间距。反馈系统通过保持微悬臂的振幅不变，记录下Z轴距离变化信息即为样品的表面形貌。

轻敲模式

轻敲模式是位于以上两种模式之间的扫描模式。当在轻敲模式下扫描时，与非接触模式一样，让微悬臂在共振频率附近振动，两者不同的是轻敲模式的振幅要更大(>20nm)。当针尖没有与表面进行接触时，微悬臂的振幅较大，当针尖接近表面到两者轻轻接触时，受到斥力的作用振幅将减小，而将针尖远离，振幅又会恢复至原值。同上述非接触模式的方法一样，通过保持振幅不变来使得作用到样品上的力保持恒定，从而得到其表面形貌信息。在这种模式下由于针尖会与样品相接触，使其分辨率与接触模式几乎一样好；又因为两者接触的时间非常短暂，由剪切力导致的样品破坏几乎完全消失。