原子力显微镜

原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）是一类扫描探针仪器。尖端安装在微小悬臂上，靠近样品时受到表面作用力，悬臂随之弯曲或改变振动状态。仪器把这一机械响应转换成电信号，再与扫描位置对应，得到局部表面信息。它不是用透镜直接放大样品，也不是把原子拍成普通照片。

AFM与扫描隧道显微镜的关键区别在于探测量：前者主要感受力，后者依赖针尖与样品间的隧穿电流。因而AFM并不以样品导电为必要条件，可用于绝缘材料和适当制备的生物样品。但这不表示所有材料、所有环境都可以用同一种探针和参数测量。

参考：[1] [2]

比尼希、奎特和格伯在1986年发表的原始论文把微小弹簧的形变与扫描技术结合起来。其早期装置在悬臂上固定金刚石尖端，再用另一侧的扫描隧道探针读取悬臂运动；这里的隧穿电流用于读取力传感器，并非要求被测样品导电。

论文展示了空气中氧化铝陶瓷表面的扫描结果，并报告横向约30埃、纵向小于1埃的初步分辨能力。作者同时讨论热漂移、表面水膜与振动的影响。这些结果并不意味着早期仪器已经普遍分辨单个原子；其意义在于确立以力作反馈、逐点追踪表面的可行途径。

参考：[1]

现代常见设计用反射在悬臂上的激光束和位置敏感探测器读取偏转，扫描机构则控制探针与样品的相对位移。光束在这里充当位移读出工具，不是形成样品图像的照明光。把电压换算为位移、进一步估算作用力，还需要探测灵敏度和悬臂弹性常数的校准。

接触模式通常以悬臂偏转为反馈量；常见轻敲模式让悬臂振动，以振幅变化反映探针与表面的相互作用。反馈回路调整垂直位置，使选定信号接近设定值，再把这一调整记录为高度信息。因此不同模式取得的图像虽都可显示形貌，其探针运动、受力过程和适用样品并不相同。

参考：[3]

扫描过快会使反馈跟不上边缘和陡坡，过慢又可能增加热漂移；反馈增益不合适也会产生条纹、噪声或失真。探针并非没有尺寸的点，悬臂刚度和设定的相互作用强度也影响测量。所谓原子级分辨率是特定仪器、样品与环境共同实现的能力，而非名称自动保证的性能。

除了表面形貌，AFM还可记录探针接近和离开样品时的力学响应。多伦多大学的实验讲义便把力与距离曲线列为测量项目。这使它不仅是一种看表面的显微镜，也是研究局部相互作用的工具；定量结论仍须与校准和所采用的模型相联系。

参考：[2] [3]