原子力显微镜探针的分类及应用

     原子力显微镜是一种具有原子分辨率的表面形貌、电磁性能分析的重要仪器。原子力显微镜探针由于应用范围仅限于原子力显微镜，属于高科技仪器的耗材，应用领域不广，全世界的使用量也不多。

原子力显微镜探针的分类

　　原子力显微镜探针基本都是由MEMS技术加工Si或者Si3N4来制备。探针针尖半径一般为10到几十nm。微悬臂通常由一个一般100~500μm长和大约500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制成。典型的硅微悬臂大约100μm长、10μm宽、数微米厚。

　　利用探针与样品之间各种不同的相互作用的力而开发了各种不同应用领域的显微镜，如原子力显微镜AFM(范德法力)，静电力显微镜EFM(静电力)磁力显微镜MFM(静磁力)侧向力显微镜LFM(探针侧向偏转力)等，因此有对应不同种类显微镜的相应探针。

　　原子力显微镜的探针主要有以下几种：

　　1、非接触/轻敲模式针尖以及接触模式探针：最常用的产品，分辨率高，使用寿命一般。使用过程中探针不断磨损，分辨率很容易下降。主要应用与表面形貌观察。

　　2、导电探针：通过对普通探针镀10-50纳米厚的Pt(以及别的提高镀层结合力的金属，如Cr，Ti，Pt和Ir等)得到。导电探针应用于EFM，KFM，SCM等。导电探针分辨率比接触和轻敲模式的探针差，使用时导电镀层容易脱落，导电性难以长期保持。导电针尖的新产品有碳纳米管针尖，金刚石镀层针尖，全金刚石针尖，全金属丝针尖，这些新技术克服了普通导电针尖的短寿命和分辨率不高的缺点。

　　3、磁性探针：应用于MFM，通过在普通接触和轻敲模式的探针上镀Co、Fe等铁磁性层制备，分辨率比普通探针差，使用时导电镀层容易脱落。

　　4、大长径比探针：大长径比针尖是专为测量深的沟槽以及近似铅垂的侧面而设计生产的。特点：不太常用的产品，分辨率很高，使用寿命一般。技术参数：针尖高度>9μm;长径比5:1;针尖半径<10nm。

　　5、类金刚石碳原子力显微镜探针/全金刚石探针：一种是在硅探针的针尖部分上加一层类金刚石碳膜，另外一种是全金刚石材料制备(价格很高)。这两种金刚石碳探针具有很大的耐久性，减少了针尖的磨损从而增加了使用寿命。

　　还有生物探针(分子功能化)，力调制探针，压痕仪探针。

原子力显微镜操作模式

　　随着原子力显微镜技术的发展，各种新应用不断涌现。具体包括如下技术:

　　①接触模式：最早的模式，探针和样品直接接触，探针容易磨损，因此要求探针较软，即悬臂的弹性系数小，一般小于1N/m。

　　②轻敲模式：探针在外力驱动下共振，探针部分振动位置进入力曲线的排斥区，因此探针间隙性的接触样品表面。探针要求很高的悬臂弹性系数来避免与样品表面的微层水膜咬死。轻敲模式对样品作用力小，对软样品特别有利于提高分辨率。同时探针的寿命也较接触模式的稍长。

　　以上是最常用的原子力显微镜模式，别的模式还有很多，如：

　　横向力显微镜：检测样品表面微区对探针横向的摩擦力，可以获得材料的力学性能)。

　　非接触模式显微镜：与轻敲模式基本相同，区别是非接触模式探针工作在力曲线的吸引区)。

　　力调制显微镜：探针对检测样品表面微区有很大的力，可以获得材料微区的弹性系数等力学性能。

原子力显微镜探针的作用

　　原子力显微镜用一个微小的探针来“摸索”微观世界，它超越了光和电子波长对显微镜分辨率的限制，在立体三维上观察物质的形貌，并能获得探针与样品相互作用的信息。原子力显微镜具有分辨率高、操作容易、样品准备简单、操作环境不受限制、分辨率高等优点。

　　因此，原子力显微镜正在迅速应用于科学研究的许多领域，并且取得了许多重大的科研成果。而作为影响原子力显微镜测量的重要因素之一探针，却鱼目混珠、良莠不齐、品牌种类繁多，对科研工作者造成一定的困扰。同时，仪器操作者往往非专业人员，对使用过程中出现的一些异常情况束手无策。