原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，AFM），是一種可用來(lái)研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。它通過(guò)檢測(cè)待測(cè)樣品表面和一個(gè)微型力敏感元件（探針）之間的極微弱的原子間相互作用力來(lái)研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。

AFM原子力顯微鏡可以對(duì)樣品表面形態(tài)、納米結(jié)構(gòu)、鏈構(gòu)象等方面進(jìn)行研究，獲得納米顆粒尺寸，孔徑，材料表面粗糙度，材料表面缺陷等信息，同時(shí)還能做表面結(jié)構(gòu)形貌跟蹤（隨時(shí)間，溫度等條件變化）。也可對(duì)樣品的形貌進(jìn)行豐富的三維模擬顯示，使圖像更適合于人的直觀視覺(jué)。結(jié)合儀器的各種標(biāo)準(zhǔn)操作模式以及**的附件，可在進(jìn)行高分辨成像的同時(shí)，獲得包括樣品力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱力學(xué)等各項(xiàng)性能指標(biāo)。

1. 表面形貌和表面粗糙度

原子力顯微鏡可以對(duì)樣品表面形態(tài)、納米結(jié)構(gòu)、鏈構(gòu)象等方面進(jìn)行研究，獲得納米顆粒尺寸，孔徑，材料表面粗糙度，材料表面缺陷等信息，同時(shí)還能做表面結(jié)構(gòu)形貌跟蹤（隨時(shí)間，溫度等條件變化）。也可對(duì)樣品的形貌進(jìn)行豐富的三維模擬顯示，使圖像更適合于人的直觀視覺(jué)。下圖表征的是樣品的二維幾何形貌圖和三維高度形貌圖。

AFM原子力顯微鏡的高度像可用于樣品表面微區(qū)高分辨的粗糙度測(cè)量，應(yīng)用合適的數(shù)據(jù)分析軟件能得到測(cè)定區(qū)域內(nèi)粗糙度各表征參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，一般儀器供應(yīng)商會(huì)提供配套的數(shù)據(jù)處理軟件。表面平均粗糙度Ra和均方根粗糙度Rq是常用的表征粗糙度的參數(shù)，其含義分別是：在所考察區(qū)域內(nèi)相對(duì)中央平面測(cè)的高度偏差絕對(duì)值的算術(shù)平均值Ra，Rq是指在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，輪廓偏離平均線的均方根值，它是對(duì)應(yīng)于Ra的均方根參數(shù)。計(jì)算機(jī)根據(jù)高度數(shù)據(jù)能自動(dòng)計(jì)算出輪廓算術(shù)平均偏差Ra和均方根粗糙度Rq。

2. 臺(tái)階高度和納米片厚度的測(cè)量

在半導(dǎo)體加工過(guò)程中通常需要測(cè)量高縱比結(jié)構(gòu)，像溝槽和臺(tái)階，以確定刻蝕的深度和寬度。這些在SEM 下只有將樣品沿截面切開才能測(cè)量，原子力顯微鏡可以對(duì)其進(jìn)行無(wú)損的測(cè)量。AFM原子力顯微鏡在垂直方向的分辨率約為0.01nm，因此可以很好的用于表征納米片厚度。

3.相圖

作為輕敲模式的一項(xiàng)重要的擴(kuò)展技術(shù)，相位模式是通過(guò)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)微懸臂探針振動(dòng)的信號(hào)源的相位角與微懸臂探針實(shí)際振動(dòng)的相位角之差（即兩者的相移）的變化來(lái)成像。引起該相移的因素很多，如樣品的組分、硬度、粘彈性質(zhì)，模量等。因此利用相位模式，可以在納米尺度上獲得樣品表面局域性質(zhì)的豐富信息。值得注意的是，相移模式作為輕敲模式一項(xiàng)重要的擴(kuò)展技術(shù)，雖然很有用。但單單是分析相位模式得到的圖像是沒(méi)有意義的，必須和形貌圖相結(jié)合，比較分析兩個(gè)圖像才能得到你需要的信息。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果兩種材料從原子力顯微鏡形貌上來(lái)說(shuō)，對(duì)比度比較小，但又非常想說(shuō)明這是在什么膜上長(zhǎng)的另外一種，這個(gè)時(shí)候可以利用二維形貌圖+相圖來(lái)說(shuō)明（前提是兩種材料的物理特性較為不同，相圖有明顯對(duì)比信號(hào)才行）。

4. AFM原子力顯微鏡成像在生物體系中的應(yīng)用

有很多方法都可用于生物大分子的研究，但是，這些方法的實(shí)際應(yīng)用都受到不同程度的限制，由于生物大分子的復(fù)雜性和特殊性，一些適合研究材料樣品的方法例如TEM，在應(yīng)用于生物樣品時(shí)都遇到了難以克服的困難。原子力顯微鏡成像的特點(diǎn)在生物樣品中具有突出的優(yōu)勢(shì)，主要包括：樣品制備簡(jiǎn)單，對(duì)樣品的破壞較其他技術(shù)要小的多；操作樣品時(shí)無(wú)需樣品導(dǎo)電，無(wú)需低溫，真空等條件；并且能在多種環(huán)境中運(yùn)作，如空氣，液體等都無(wú)障礙，可以對(duì)活細(xì)胞進(jìn)行接近實(shí)時(shí)的觀察；能提供生物分子的高分辨三維圖像；能以納米尺度的分辨率觀察局部電荷密度和物理特性，觀察生物分子之間的作用力（如受體-配體）；能對(duì)單細(xì)胞，單分子進(jìn)行操作，運(yùn)用的相位成像，力模式等使得AFM原子力顯微鏡的應(yīng)用在生物大分子領(lǐng)域做出了重大的貢獻(xiàn)。