原子力顯微鏡的工作模式是以針尖與樣品之間的作用力的形式來(lái)分類(lèi)的。主要有以下3種操作模式:接觸模式(contactmode),非接觸模式(non-contactmode)和敲擊模式(tappingmode)。
接觸模式
從概念上來(lái)理解,接觸模式是AFM最直接的成像模式。AFM在整個(gè)掃描成像過(guò)程之中,探針針尖始終與樣品表面保持緊密的接觸,而相互作用力是排斥力。掃描時(shí),懸臂施加在針尖上的力有可能破壞試樣的表面結構,因此力的大小范圍在10-10~10-6N。若樣品表面柔嫩而不能承受這樣的力,便不宜選用接觸模式對樣品表面進(jìn)行成像。
非接觸模式
非接觸模式探測試樣表面時(shí)懸臂在距離試樣表面上方5~10nm的距離處振蕩。這時(shí),樣品與針尖之間的相互作用由范德華力控制,通常為10-12N,樣品不會(huì )被破壞,而且針尖也不會(huì )被污染,特別適合于研究柔嫩物體的表面。這種操作模式的不利之處在于要在室溫大氣環(huán)境下實(shí)現這種模式十分困難。因為樣品表面不可避免地會(huì )積聚薄薄的一層水,它會(huì )在樣品與針尖之間搭起一小小的毛細橋,將針尖與表面吸在一起,從而增加對表面的壓力。
敲擊模式
敲擊模式介于接觸模式和非接觸模式之間,是一個(gè)雜化的概念。懸臂在試樣表面上方以其共振頻率振蕩,針尖僅僅是周期性地短暫地接觸/敲擊樣品表面。這就意味著(zhù)針尖接觸樣品時(shí)所產(chǎn)生的側向力被明顯地減小了。因此當檢測柔嫩的樣品時(shí),AFM的敲擊模式是的選擇之一。一旦AFM開(kāi)始對樣品進(jìn)行成像掃描,裝置隨即將有關(guān)數據輸入系統,如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰頂之間的距離等,用于物體表面分析。同時(shí),AFM還可以完成力的測量工作,測量懸臂的彎曲程度來(lái)確定針尖與樣品之間的作用力大小。
三種模式的比較
接觸模式(ContactMode):
優(yōu)點(diǎn):掃描速度快,是能夠獲得“原子分辨率”圖像的AFM垂直方向上有明顯變化的質(zhì)硬樣品,有時(shí)更適于用ContactMode掃描成像。
缺點(diǎn):橫向力影響圖像質(zhì)量。在空氣中,因為樣品表面吸附液層的毛細作用,使針尖與樣品之間的粘著(zhù)力很大。橫向力與粘著(zhù)力的合力導致圖像空間分辨率降低,而且針尖刮擦樣品會(huì )損壞軟質(zhì)樣品(如生物樣品,聚合體等)。
非接觸模式:
優(yōu)點(diǎn):沒(méi)有力作用于樣品表面。
缺點(diǎn):由于針尖與樣品分離,橫向分辨率低;為了避免接觸吸附層而導致針尖膠粘,其掃描速度低于TappingMode和ContactModeAFM。通常僅用于非常怕水的樣品,吸附液層必須薄,如果太厚,針尖會(huì )陷入液層,引起反饋不穩,刮擦樣品。由于上述缺點(diǎn),on-contactMode的使用受到限制。
輕敲模式:
優(yōu)點(diǎn):很好的消除了橫向力的影響。降低了由吸附液層引起的力,圖像分辨率高,適于觀(guān)測軟、易碎、或膠粘性樣品,不會(huì )損傷其表面。
缺點(diǎn):比ContactModeAFM的掃描速度慢。