掃描探針顯微鏡的工作模式有哪些?

更新時(shí)間：2025-12-01

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掃描探針顯微鏡（SPM）是包含掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）等多個(gè)分支的顯微鏡家族，不同分支因核心檢測(cè)原理不同，工作模式存在顯著差異，其中STM和AFM的應(yīng)用最為廣泛，具體工作模式如下：

掃描隧道顯微鏡（STM）

STM依靠探針與樣品間的隧道電流成像，核心有兩種基礎(chǔ)工作模式，適配不同樣品表面情況：

恒流模式：這是STM很常用的模式。掃描時(shí)反饋回路會(huì)控制隧道電流始終保持恒定，意味著探針與樣品表面的相對(duì)距離不變。探針在XY平面掃描過程中，會(huì)通過Z軸方向的上下移動(dòng)來適配樣品表面起伏，Z軸的運(yùn)動(dòng)軌跡就對(duì)應(yīng)著樣品的表面形貌，適合大多數(shù)表面起伏的樣品成像。

恒高模式：掃描時(shí)探針的高度保持固定，不開啟反饋調(diào)節(jié)。此時(shí)樣品表面的起伏會(huì)改變探針與樣品的間距，進(jìn)而導(dǎo)致隧道電流發(fā)生變化，通過記錄隧道電流的波動(dòng)就能反映樣品形貌。該模式掃描速度快，可觀察樣品表面動(dòng)態(tài)過程，但僅適用于表面起伏極小的樣品，否則易出現(xiàn)探針與樣品碰撞損壞的情況。

原子力顯微鏡（AFM）

AFM通過檢測(cè)探針與樣品間的微弱作用力成像，工作模式更豐富，既涵蓋基礎(chǔ)形貌成像模式，也有適配特殊檢測(cè)需求的拓展模式：

基礎(chǔ)形貌成像模式

接觸模式：探針與樣品表面持續(xù)接觸，依靠原子間的排斥力工作。反饋系統(tǒng)會(huì)維持懸臂梁彎曲度恒定（即作用力不變），探針Z軸方向的運(yùn)動(dòng)記錄樣品形貌。該模式成像分辨率高，但探針在樣品表面滑動(dòng)，可能損傷軟樣品（如生物大分子）。

非接觸模式：探針不接觸樣品，懸臂梁被驅(qū)動(dòng)在共振頻率略高的位置振動(dòng)。當(dāng)探針靠近樣品時(shí)，長(zhǎng)程范德華吸引力會(huì)使懸臂梁振幅減小，系統(tǒng)維持振幅恒定并掃描成像。此模式對(duì)樣品損傷小，適合脆弱樣品，但分辨率略低于接觸模式，操作難度較高。

間歇接觸模式（輕敲模式）：結(jié)合了接觸模式和非接觸模式的優(yōu)點(diǎn)。懸臂梁在共振頻率附近振動(dòng)，探針在每個(gè)振動(dòng)周期中短暫“敲擊”樣品表面后離開。通過維持振幅恒定成像，既保證了分辨率，又避免了持續(xù)接觸對(duì)樣品的損傷，常用于生物大分子、聚合物等軟樣品檢測(cè)。

特殊功能拓展模式

橫向力顯微鏡（LFM）：基于接觸模式，通過檢測(cè)懸臂梁的扭轉(zhuǎn)程度來反映探針與樣品間的摩擦力分布，可用于分析樣品表面的摩擦特性。

靜電力顯微鏡（EFM）：給探針施加電荷，在非接觸狀態(tài)下探測(cè)樣品表面的電荷分布，適用于研究材料的電學(xué)特性。

磁力顯微鏡（MFM）：探針覆蓋永磁材料，可檢測(cè)樣品不同磁疇的磁力分布，常用于磁性材料的微觀磁結(jié)構(gòu)分析。

相位成像模式：通過記錄懸臂梁振動(dòng)相位的變化成像，相位變化與樣品的硬度、粘性等物理性質(zhì)相關(guān)，能區(qū)分樣品表面不同組分的材質(zhì)差異。

扭轉(zhuǎn)共振模式（TR模式）等智能模式：多為現(xiàn)代AFM的優(yōu)化模式，可提升成像穩(wěn)定性和效率，適配復(fù)雜樣品的高精度檢測(cè)。

上一條探針顯微鏡的分辨率受哪些因素影響?
下一條手動(dòng)角位臺(tái)的特點(diǎn)有哪些？