SPM的成像模式有些哪？

      SPM是一類儀器的統稱，最主要的SPM是STM和以AFM為代表的掃描力顯微鏡（Scanning Force Microscope，SFM）。SPM的兩個關鍵部件是探針（Probe）和掃描管（Scanner），當探針和樣品接近到一定程度時，如果有一個足夠靈敏且隨探針-樣品距離單調變化的物理量P=P(z)，那么該物理量可以用于反饋系統（Feedback System，FS），通過掃描管的移動來控制探針-樣品間的距離，從而描繪材料的表面性質。

      以形貌成像為例，為了得到表面的形貌信息，掃描管控制探針針尖在距離樣品表面足夠近的范圍內移動，探測兩者之間的相互作用。在作用范圍內，探針產生信號，以此來表示探針-樣品距離不同時兩者相互作用的大小，這個信號稱為探測信號（Detector Signal）。為了使探測信號與實際作用相聯系，需要預先設定參考閾值（Setpoint），當掃描管移動使得探針進入成像區域中時，系統檢測探測信號并與閾值比較，當兩者相等時，開始掃描過程。

      掃描管控制探針在樣品表面上方精確地按照預設的軌跡運動，當探針遇到表面形貌變化時，由于探針和樣品間的相互作用發生了變化，導致探測信號改變，因此與閾值產生一個差值，叫做誤差信號（Error Signal）。SPM使用Z向反饋來保證探針能夠精確跟蹤表面形貌的起伏。Z向反饋回路連續不斷地將探測信號和閾值相比較，如果兩者不等，則在掃描管上施加一定的電壓來增大或減小探針與樣品之間的距離，使誤差信號歸零。同時，軟件系統利用所施加的電壓信號來生成SPM圖像。

      具體到輕敲模式AFM，我們可以把整個掃描過程表述如下：系統以懸臂振幅作為反饋信號，掃描開始時，懸臂的振幅等于閾值，當探針掃描到樣品形貌變化時，振幅發生改變，探測信號偏離閾值而產生了誤差信號。系統通過PID控制器消除誤差信號，引起掃描管的運動，從而記錄下樣品形貌。

用于反饋的物理量P不同，SPM的成像模式就不同，表1-1給出了SPM的幾種基本成像模式。

表1-1  不同的物理量用于SPM的反饋系統時對應的成像模式

      由于很多掃描探針顯微術都是從AFM衍生出來的，我們這里只簡單介紹一下AFM的幾種基本成像模式。

      輕敲模式AFM：通過使用處于振動狀態的探針針尖對樣品表面進行敲擊來生成形貌圖像。掃描過程中，探針懸臂的振幅隨樣品表面形貌的起伏而變化，從而反映出形貌的起伏。其優點是消除了會對樣品造成損傷并降低圖像分辨率的橫向力影響，并且可以不受在常見成像環境下樣品表面附著的水膜的影響。缺點是掃描速度比接觸模式稍微慢一些。

      接觸模式AFM：探針針尖始終與樣品保持接觸。針尖位于彈性系數很低的懸臂末端。當掃描管引導針尖在樣品上方掃過（或樣品在針尖下方移動）時， 接觸作用力使懸臂發生彎曲，從而反映出形貌的起伏。其優點是可以達到很高的分辨率，缺點是有可能對樣品表面造成損壞，橫向的剪切力和表面的毛細力都會影響成像。

     非接觸模式AFM：成像時，探針懸臂在樣品表面附近處于振動狀態。針尖與樣品的間距通常在幾個納米以內，在這一區域中針尖和樣品原子間的相互作用力表現為范德華吸引力。其優點是對樣品表面沒有損傷，缺點是分辨率低，掃描速度慢，為了避免被樣品表面的水膜黏住，往往只用于掃描疏水表面。

     扭轉共振模式AFM：懸臂以長軸為中心做扭轉振動，并引發針尖處于抖動狀態。當針尖在樣品表面遇到橫向作用力時，系統可以檢測到懸臂扭轉振動的變化，來探測樣品表面形貌的起伏。其優點是振幅小因此對樣品的損傷小，分辨率高，缺點是會受到表面毛細力的影響。

     PeakForce Tapping AFM：這是Bruker最近發布的一種新的基本成像模式，采用2 kHz的頻率在整個表面做力曲線，利用峰值力做反饋，通過掃描管的移動來保持探針和樣品之間的峰值力恒定，從而反映出表面形貌。其優點是直接用峰值力做為反饋可以保持探針和樣品間只有非常小的相互作用，這樣就能夠對很黏很軟的樣品成像，如雙面膠、液晶分子，也可以克服空氣阻尼的作用對很深很窄的溝槽進行成像，同時可以直接定量得到表面的力學信息。

從以上幾種基本的成像模式中，又衍生出許多細分的成像模式，可以檢測更多物理量。現把常見的細分成像模式總結在表1-2中。

表1-2  幾種常見的SPM細分成像模式