目前，大气环境原子力显微镜(Atomic Force Microscopy，AFM)通常使用基于激光位置检测的微悬臂探针，其检测装置较为精密、成本较高、操作复杂。与此相比，自感应型AFM探针则具有可以自激发和自检测的特点，因而结构简单、使用方便。目前研究应用较多的自感应AFM探针主要有基于压电效应原理和基于压阻效应原理等2种不同的类型。基于压电效应的自感应AFM探针最典型的代表是基于石英音叉的AFM探针。

石英音叉（Quartz tuning fork, QTF）是电子表中常用的石英晶振这一电子元件的核心组成部件。石英晶振具有机械共振的频率稳定、品质因子高等特点。在图4.1中，电子表内部左上方的圆柱形电子元件（在红色圆圈内）就是石英晶振，其共振频率为。

图4.1 电子表内部照片.图中红色圆圈内的圆柱形电子元件就是石英晶振

石英音叉以高纯度石英晶体为材料制成，如图4.2所示。石英晶体具有压电效应和逆压电效应。压电效应是指某些电介质在一定的方向上受到外力作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷；而逆压电效应是指在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失。

图4.2 石英晶振剥壳后的石英音叉的实物照片

石英音叉可以用来制作力传感器，用于扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy, SPM）的测量成像。采用石英音叉制作的力传感器利用压电效应检测微悬臂的形变量从而检测针尖所受到的力，可以省去SPM中的传统微悬臂探针的激光检测方式中的复杂的光路装置。又由于石英音叉品质因子更高，其传感器将具有更高的灵敏度。另外，石英音叉的叉臂与传统的微悬臂相比具有更好的稳定性。目前，石英音叉在扫描探针显微镜领域的应用发展迅猛，是个热门的研究应用的领域。

在AFM的发展历程中，基于石英音叉的AFM压电自感应探针主要应用于真空环境下AFM的测量成像。在大气环境下，这种探针通常Q值较低。不过，近十多年来，基于石英音叉的AFM探针现在已经能够很好地应用于大气环境AFM的测量成像。其中，最为典型的是Akiyama等最先应用的一种石英音叉压电自感应探针，即Akiyama-Probe（不妨简称为A-Probe；Rev. Sci. Instrument. 2010, 81:063706；制造商：Nanosensors）。

基于石英音叉的压电自感应AFM探针根据结构和原理的不同，到目前为止主要有三种类型，如图4.3所示，包括：qPlus探针、Akiyama探针和平衡型音叉探针。

图4.3 基于石英音叉的各种AFM自感应探针

（a）应用于真空AFM的qPlus型AFM探针；（b）带U型悬臂的石英音叉自感应AFM探针（A-Probe）；（c）对称双针尖结构的石英音叉自感应AFM探针（针尖需自行制备）。

第一种压电自感应AFM探针是应用于真空环境AFM的qPlus传感探针，如图4.3（a）所示。这种自感应AFM探针实际上只使用了石英音叉的一个叉股来实现信号传感（详细情况可查看：Franz J. Giessibl. The qPlus sensor, a powerful core for the atomic force microscope, Rev. Sci. Instrum. 90, 011101 (2019); https://doi.org/10.1063/1.5052264）. 采用真空环境下的qPlus探针可获得具有极高成像分辨率的AFM图像，最高可达达到约77皮米的所谓“亚原子分辨”。

第二种压电自感应AFM探针是应用于大气环境的、带U型悬臂的、基于石英音叉的自感应AFM探针，如图4.3（b）所示，即Akiyama-Probe（详细情况可查看：T. Akiyama, U. Staufer, and N. F. de Rooij. Symmetrically arranged quartz tuning fork with soft cantilever for intermittent contact mode atomic force microscopy. Review of Scientific Instruments 74, 112 (2003); https://doi.org/10.1063/1.1523631）。目前，这种类型的探针已经实现商品化（制造商：Nanosensors，https://www.nanosensors.com/afm-tips-overview）

第三种压电自感应AFM探针是应用于大气环境的、平衡音叉型自感应AFM探针。如图4.3（c）所示。这种自感应探针的针尖通常以钨丝或铂铱丝为材料、采用电化学腐蚀方法制备。其针尖类似于扫描隧道显微镜（STM）中所使用的探针，通常需要在使用时自制。