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原子力显微镜的成像模式有哪些?

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发表于 2021-11-23 17:49:27 | 显示全部楼层 |阅读模式

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静态模式和动态模式是原子力显微镜的主要工作模式。在静态模式下,悬臂从样品表明划过,从悬臂的偏转可以直接知道表明的高度图。在动态模式下,悬臂在其基频或谐波或附近振动,其振幅、相位和共振与探针和样品之间的力有关。


                               
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轻敲模式
一般情况下,大多数样品表明都有一层弯曲的液面。因此,在非接触模式下,探针可以足够靠近样品表明来测试短程力,但此时探针很容易粘贴在样品表明,这是一个经常发生的大问题;动态模式是为了避免这个问题而发明的,也称为间歇接触模式(intermittentcontact)、轻敲模式(tappingmode)或AC模式(ACMode)。在轻敲模式下,悬臂通过类似于非接触下装载在探针上的微小压电元件上下振动,频率接近其共振频率,但振幅远大于10纳米,约为100~200纳米。当探针离样品表明越近时,探针与样品表明之间的范德华力、偶极和静电力会导致振幅越小。电子自动伺服机通过压电制动器控制悬臂与探针之间的距离。当悬臂扫描样品表明时,伺服机会调整探针与样品之间的距离,以保持悬臂预设的振幅,而成像的相互作用力得到原子力显微镜轻敲模式的图像。[5]轻敲模式减少了接触模式中对样品和探针的损伤,如此温和,以至于可以成像固定的磷脂双分子层和吸附的单个聚合物链。例如,液相0.4纳米厚的合成聚合物电解质,在适当的扫描条件下,单分子实验可以在几个小时内保持稳定。

接触模式
静态探针偏转作为静态模式下的反馈信号。由于静态信号的测试与噪声和偏移成正比,低硬度探针用于增强外部偏差信号。但由于探针非常接近样品表明,吸引力强,探针切入样品表明。所以静态原子力显微镜几乎都是用来排斥总用力的。因此,该技术常被称为接触模式。在接触模式下,扫描过程中保持探针偏转,使探针和样品表明的力保持恒定。

非接触模式
在这种模式下,悬臂上的探针不接触样品表明,而是以略高于共振频率的频率振动,振幅通常小于几纳米。当探针距离表明样品1~3纳米时,范德华力最强,其与其它表明的长程力会降低悬臂的振动频率。通过调整探针与样品之间的平均距离,降低频率与反馈回路保持不变的振动频率或振幅。测量每个数据点上的探针与样品之间的距离,可以使扫描软件构建样品表明的形状。

在接触模式下扫描几次通常会损坏样品和探针,但非接触模式不会。这一特点使得非接触模式通常用于测试柔软的样品,如生物组织和有机薄膜;对于硬样,两种模式得到的图像几乎相同。但是,如果在硬样上包裹一层薄膜或吸附流体,两者的成像差异很大。在接触模式下,探针会通过液体层成像其下表明,而在非接触模式下,探针只会在吸附的液体层上振动,成像信息是液体与下表明之和。

动态模式下的成像包括频率调制和更广泛使用的振幅调制。在频率调制过程中,振动频率的变化提供了探样品间距的信息。频率可以非常灵敏地测量,所以频率调制使用非常坚硬的悬臂,因为它在非常靠近表明时仍然保持稳定;因此,该技术是第一种在超高真空条件下获得原子级分辨率的原子力显微镜技术。在振幅调制中,悬臂振幅和相位的变化提供了图像的反馈信号,相位的变化可以用来检测表明的不同材料。振幅调制可用于非接触模式和间歇接触领。悬臂在动态接触模式下是振动的,甚至悬臂振动悬臂探针与样品表明的间距也是调制的。

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