AFM探针分类及各探针

AFM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tapping和contact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tapping和contact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< 10 nm。

（5）、类金刚石碳AFM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

新型探针的开发方向包括：超细超尖和超长寿命探针。提高目前电、磁性能探针的分辨率和使用寿命。探针的纳米化，特别是cnt修饰和功能纳米材料的修饰将会极大提高探针的各项性能也会进一步推动SPM更广泛深入的应用。2100433B

原子力显微镜(AFM)

1985年，Binnig, Gerber和Quate开发成功了首台AFM（atomic force microscope, 原子力显微镜）。在表面科学、纳米技术领域、生物电子等领域， SPM（scanning probe microscopy）逐渐发展成为重要的、多功能材的材料表征工具。

STM 要求样品表面导电，而AFM可以测试绝缘体的表面形貌和性能。因为STM的基本原理是通过测量探针与样品表面的隧道电流大小来探测表面形貌，而AFM是测量探针与样品表面的相互作用力。AFM由四个部分组成：机械运动部分、悬臂偏转信号光学检测系统、控制信号反馈系统， 成像和信息处理软件系统。探针与样品之间的相互作用力使微悬臂向上或向下偏转，利用激光将光照射在悬臂的末端，反射光的位置改变就用来测器此悬臂的偏移量，这种检测方法最先由Meyer 和Amer提出。机械部分的运动（探针上、下以及横向扫描运动）是有精密的压电陶瓷控制。激光反射探测采用PSD。反馈和成像系统控制探针和样品表面间距以及最后处理实验测试结果。

原子力显微镜AFM操作模式

随着AFM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 (contact mode) 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 （tapping mode） 也叫Dynamic Force或者Intermittant-contact。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。Tapping mode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contact mode的稍长。

以上是最常用的AFM模式，别的模式还有很多：如

Lateral Force Microscopy（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），

Noncontact mode Force（非接触模式显微镜，与tapping mode基本相同，区别是非接触模式探针工作在力曲线的吸引区），

Force Modulation （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），

CFM chemical force microscopy

EFM electric force microscopy

KFM Kelvin force microscopy

MFM magnetic force microscopy

SThM Scanning thermal microscopy

SCM Scanning capacitance microscope

SCPM Scanning chemical potential microscope

SEcM Scanning electrochemical microscope

SICM Scanning ion conductance microscope

SKPM Scanning Kelvin probe microscope

SThM Scanning thermal microscope

STOS Scanning tunneling optical spectrometer

（3）非接触模式（non-contact mode）。在非接触模式中，针尖在样品表面上方振动，始终不与样品接触，探针检测器检测的是范德瓦尔斯力和静电力等对成像样品的无破坏的长程作用力。这种模式虽然增加了显微镜的灵敏度，担当针尖与样品之间的距离较长时，分辨率要比接触式和轻敲式都低，而且成像不稳定，操作相对困难，通常不适用于在液体中成像，在生物中的应用也比较少。

原子力显微镜的特点：

（1）高分辨力能力远远超过扫描电子显微镜（SEM）以及光学粗糙度仪。试样表面的三维数据满足了研究、生产、质量检测越来越微观化的要求。

（2）非破坏性。探针与样品表面相互作用力在10-8N以下，远比以往触针式粗糙度仪压力小，因此不会损伤样品，也不存在扫描电子显微镜的电子束损伤问题。另外扫描电子显微镜要求对不导电的样品进行镀膜处理，而原子力显微镜则不需要。

（3）应用范围广，可用于表面观察、尺寸测定、表面粗糙测定、颗粒度解析、突起与凹坑的统计处理、成膜条件评价、保护层的尺寸台阶测定、层间绝缘膜的平整度评价、VCD涂层评价、定向薄膜的摩擦处理过程的评价、缺陷分析等。

（4）软件处理功能强，其三维图像显示其大小、视角、显示色、光泽可以自由设定。并可选用网络、等高线、线条显示。图像处理的宏管理，断面的形状与粗糙解析，形貌解析等多种功能。

各种模式和应用要求性能各异的探针，而探针的性能指标是决定显微镜分辨率的最关键的因素。

AFM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。生产上，世界范围有近十几家工厂开发生产各种AFM探针，市场基本饱和了。主要的生产厂家分布在德国，瑞士，保加利亚，美国，俄罗斯，日本，以色列、意大利和韩国等。不过由于目前的探针寿命短，分辨率不高也不稳定且一致性差，各国都在开发新型探针。新型探针包括cnt修饰探针，纳米材料修饰探针等。国内开展原子力显微镜探针的研究、生产和销售的单位有：研究型（哈尔滨工业大学，东南大学），生产销售型（北京五泽坤科技公司）。

AFM于2010年1月首次进入中国，为迎合市场需求，在大陆设立中国总代理机构，青岛同润伟业贸易有限公司，并与此同时引进了中国第一台AFM伐木机。

AFM-Forest Ltd is a Finnish company manufacturing high-quality harvester, processor, combi, energy wood and felling heads for demanding forest operations. Our years of experience in the forest-machines market, combined with the high competence of our personnel, ensure the successful performance of AFM heads around the world. With a good reputation in the forest-machines market, we offer our customers high quality and versatile logging solutions.

AFM 45和50L是针对于疏伐的通用型采伐机头。L型号的采伐机头均可适用于全部硬、软木的作业。短框架结构设计使AFM 45L与50L型采伐机头在对于弯曲树木的处理时非常便于操作。AFM45L与50L型采伐机头均非常轻便及易于操作，非常配合环保疏伐的理念。

AFM45或者50科罗纳机头是与小型森林机械主机配合，进行疏伐和皆伐的正确选择。AFM科罗纳机头在紧密的森林中的疏伐作业具有非常快速、操作便捷的特性，并同时具有足够的功率进行皆伐作业。AFM科罗纳机头上配置的四个可移动枝桠剃刀可保证从树干底部到树冠的高质量枝桠清除性能。滚轴臂与剃刀上均衡的压力处理降低了对木材纤维的损害。凭借着三滚轴传动的几何学设计，您可轻易的对较大型树干进行作业。

以上两种型号均能配合辅具对多树种进行操作，例如对能源类木材作业。

高强度的框架使AFM45与50系列不仅针对轮式主机，并且配合覆带式收割机均具有极高的可靠性。

技术参数:AFM40/50

AFM 58哈士奇采伐机头是针对软木的皆伐和疏伐，且要求高质量枝桠清除效果的最佳选择。它强劲的传动力，结合它的三滚轴传动系统及两副枝桠清除剃刀，可在所有条件下提供强大的生产力。高压液压系统设计可保证从主机到最终作业环节均能配以最大动力。凭借着AFM 58哈士奇的无滑移式传动系统，您仍能在树干数量达到作业最大极限时进行轻松操作。

在中型森林机械和14到22吨范围内的挖掘机上AFM 58 哈士奇能表现出最佳性能。

技术参数：AFM 58 哈士奇

AFM60L是一台特别针对配合轮式主机作业而设计的高产能、大功率的采伐机头。它可轻易地配合各尺寸的主机。AFM60L的高产能与强劲的动力可用来进行终极皆伐作业。因为紧凑的设计使其拥有足够轻的重量，从而在随后的疏伐中极易操纵。AFM60L采伐机头配有一副能对极低质量的木材进行加工处理的重型强力剃刀。AFM60L在定制的收割机上极易进行安装，并能完美的配合绝大多数测量系统进行工作。

关于AFM60L的承载设备，我们推荐12到18吨的轮式森林机械主机。

AFM60采伐机头以其强劲、可靠及适用性的特点享有盛誉。基于它紧凑的设计，AFM60可完美的适用于全部硬、软木类的作业。短小的框架配以一副重型强力枝桠清除剃刀可轻易的对长有粗壮树枝且质量极低的树木进行加工处理。AFM60可适用于所有类型的采伐方式及作业：定长剪切，原条采伐，以及原木的处理和加工。AFM60的长打枝臂可从容的进行从原木规整成堆到拾捡被风吹倒树木的相关作业，并使得您的设备像森林收割机或木材处理机一样工作。

AFM60可完美的适配于20吨的挖掘机或者14到17吨的森林机械主机。

技术参数：AFM60L/60

AFM60优卡是针对大型桉树剥皮作业的最高效的采伐机头。此采伐机头是所有AFM机头杰出特性的完美组合，能够针对桉树林作业创造出极为高效的操作方案。AFM60优卡上特殊的剥皮滚轴组在斜角上可进行多切边操作，从而产生一种螺旋式的树干传动并提供质量最好、速度最快的剥皮作业。凭借着其可靠的液压系统及可防水滴附着的密封原件，AFM60优卡非常适合在热带雨林中使用。强大的测量器保护结构以及许多其他在机头中包括的重要细节均为高要求的剥皮作业而特殊定制。

AFM60优卡最适合于20至25吨的挖掘机配合使用。并且是针对桉树林作业的最好的采伐机头。

技术参数：AFM60优卡