AFM - 尖头探针与胶体探针
发布时间：2025-09-17 16:16:22 阅读数： 151
原子力显微镜(AFM) 是一种功能强大、用途广泛的表面成像和研究技术，广泛应用于众多科学领域和行业。它不仅可以用于多种模式，还可以根据所分析的材料更换探针针尖。在本文中，我们不仅会探讨 AFM 是什么，还会探讨不同的 AFM 探针针尖如何用于不同的功能——即标准的“尖针”和胶体探针。
什么是AFM？
AFM 是一种显微镜技术，利用悬臂梁物理接触样品进行成像。所得图像是表面的形貌图。该技术应用广泛，因为材料的表面化学性质通常决定了材料的稳定性或功能性。
那么它是如何进行测量的呢？悬臂梁的尖端位于样品上方，并接近材料表面。此时，表面和尖端之间的分子间吸引力（即范德华力）迫使悬臂向表面移动并敲击表面。
AFM 仪器还配备激光束。当悬臂移向材料表面时，激光束会从悬臂梁背面偏转。激光照射到位置敏感光电二极管 (PSPD) 上，记录悬臂梁的位置变化。AFM 仪器记录了悬臂梁的横向和纵向位移偏转后，会使用反馈回路系统创建高分辨率的形貌图。
然而，通用的操作模式并不是AFM唯一的优势。AFM还具有非接触模式，并且可以根据材料和应用在悬臂梁上更换各种探针。
AFM 尖头
尖锐的探针是原子力显微镜 (AFM) 仪器的标准探针。这些标准 AFM 探针呈金字塔形（三角形或方形），金字塔的顶点朝向样品。探针的锐度至关重要，因为它关系到被分析区域的精度。因此，探针越小越好。
大多数探针针尖的直径小于10纳米，但为了提高探针的锋利度，许多原子力显微镜探针具有较高的纵横比，探针长度在微米级。高纵横比在探针针尖的最后几百纳米处尤其有用，因为它可以显著提高探针的锋利度。这类探针针尖有多种形式，包括硅基探针针尖、碳基复合材料探针针尖和金属涂层探针针尖。这些探针针尖的锋利特性使其更适合用于“较硬”的材料和表面，因为柔软的表面可能会被探针针尖的尖点损坏。
如果需要对较软的材料进行成像，则可以在非接触模式下使用尖锐的探针。在这种模式下，探针不会接触材料表面，因此不会存在表面损伤的风险，从而避免结果不准确。在非接触模式下，探针的振动频率高于表面的共振频率，这意味着无需与样品进行物理接触即可记录拓扑变化。然而，这种方法效率较低，因为它可能会受到来自样品的长程相互作用力的干扰。
AFM胶体探针
胶体探针没有尖锐的针尖，而是在悬臂梁末端粘有一个微米级的球体。胶体探针的使用方法与标准探针截然不同，可用于测量材料表面的多种特性，包括测量直接表面力和粘附力，以及研究颗粒与表面之间的胶体相互作用。
使用胶体探针时，原子力显微镜（AFM）仪器的内部工作原理不会改变，信息仍然通过将激光束偏转到光电二极管来推断。然而，与尖锐探针不同，胶体探针不仅可以与表面本身相互作用，还可以与表面上的粒子相互作用。这分别被称为球-球几何结构和平面-球几何结构。
胶体探针确实存在一些缺点。测量球体的性质时，需要将待测粒子与胶体探针球对齐，有时只能近似对齐。此外，将粒子粘合到探针上并非一个简单的过程，探针的多次润湿会导致探针球表面形成纳米级气泡。
胶体探针也可以通过各种化学涂层进行改性，从而在探针和表面之间引入特定的化学相互作用。此外，胶体探针还可以用于测量生物现象。总而言之，胶体探针是一种创新且无损的表面特性测量方法。
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