要想做好工作，首先要磨刀，幾十年來，已經開發出許多用於表面結構分析的現代儀器。 如透射電子顯微鏡（TEM）、掃瞄電子顯微鏡（SEM）、場電子顯微鏡（FEM）、場離子顯微鏡（FIM）、低能電子衍射（LEED）、俄歇光譜儀（AES）、光電子能譜（ESCA）、電子探針等。 這些技術在表面科學各個領域的研究中發揮著重要作用。 但任何技術在其應用中都會有一定的侷限性例如，LEED和X射線衍射等衍射方法要求樣品具有週期性結構，光學顯微鏡和SEM的解像度不足以分辨表面原子，高解像度TEM主要用於薄層樣品的體相和介面研究，FEM和FIM只能檢測半徑小於100nm的針尖上的原子結構和二維幾何性質， 而且樣品製備技術複雜，因此能作為樣品研究物件非常有限;還有一些表面分析技術，如X射線光電子能譜（ELS），它只能提供空間平均的電子結構資訊; 有些技術只能獲得間接結果，還需要配合試錯模型。 此外，上述一些分析技術對測量環境有特殊要求，例如真空條件。 1985 年，IBM 的 Binning 和史丹福大學的 Quate 開發了原子力顯微鏡 （AFM），它補充了 STM，可用於測量任何樣品的表面，無論是否導電。 表1 顯微鏡技術效能指標對比
電子顯微鏡的背景
1932年：透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，tem）。德國物理學家恩斯特（Ernst）和盧斯卡（Luska）發明了第一台電子顯微鏡。 該顯微鏡通過樣品的極薄部分發射電子進行成像，對於觀察細胞的內部結構非常有用透射電鏡可以將標本放大多達 500,000 倍。
1965年：掃瞄電子顯微鏡（scanning electron microscope, sem）。它將電子束發射到標本表面（而不是穿過標本），然後形成標本外觀的詳細三維影象SEM可以將標本放大150,000倍。 1981年：掃瞄隧道顯微鏡（scanning tunneling microscopy，stm）；IBM-Zurich 的 Binnig 和 Rohrer 發明了科學家可以通過檢測從標本表面逸出的電子成像來觀察細胞外層的單個分子STM 可將標本放大多達 100 萬倍。 1985年原子力顯微鏡（atomic force microscope，afm）。Binnig、Gerber 和 Quate 開發了第一台原子力顯微鏡。 在20世紀70年代，有人提出冷凍電子顯微鏡（冷凍電子顯微鏡，冷凍技術），2013 年 12 月 5 日，美國加州大學三藩市分校，具有近原子解像度 （34 埃），確定了 TRPV1 的結構，TRPV1 是一種在疼痛和熱感知中起核心作用的膜蛋白，標誌著冷凍電鏡正式進入“原子解像度”時代。AFM原理
AFM的原理比較簡單，就是用乙個微小的探針“摸索”樣品表面以獲取資訊。
如**所示，當針尖接近樣品時，針尖上的力使懸臂偏轉或改變振幅。 懸臂的這種變化被檢測系統檢測到，然後轉換為電訊號傳輸到反饋系統和成像系統，並在掃瞄過程中記錄一系列探頭變化可以獲得樣品表面資訊的影象。
AFM是在STM的基礎上開發的。 不同之處在於，它沒有使用電子隧穿效應，而是使用原子之間的范德華力相互作用來表示樣品的表面特性。
假設兩個原子，乙個在懸臂中探針的尖端，另乙個在樣品的表面上，它們之間的力會隨著距離的變化而變化，力和距離之間的關係如下圖所示，當原子彼此非常接近時， 彼此電子雲的排斥力大於原子核與電子雲之間的吸引力，因此整個合力表現為排斥力的作用，相反，如果兩個原子相隔一定距離，電子雲排斥力的作用小於彼此原子核與電子雲之間的吸引力， 因此，整個合力表現為萬有引力。原子力顯微鏡利用原子之間的微妙關係來顯示原子的外觀。
AFM成像模式
（1） 觸點型別
接觸AFM是一種排斥模式，在這種模式下，探針尖端與樣品進行“物理接觸”以獲得靈活性，當尖端輕輕掃過樣品表面時，接觸的力會導致懸臂彎曲，從而產生樣品的表面圖案。 由於它是接觸式掃瞄，因此樣品的表面在與樣品接觸時可能會彎曲。 經過多次掃瞄後，尖端或樣品被鈍化。
特點：通常，接觸模式會產生穩定的高解像度影象。 但是這種模式不適合研究生物大分子、彈性模量低的樣品以及容易移動和變形的樣品。
（2） 非接觸式
在非接觸模式下，針尖在樣品表面上方振動，從不與樣品接觸，檢測器檢測到不會損壞樣品的長程力，例如范德華力和靜電力。
需要更硬的懸臂（以防止與樣品接觸）。 由此產生的訊號更小，需要更靈敏的裝置，雖然這種模式提高了顯微鏡的靈敏度，但當尖端和樣品之間的距離較長時，它的解像度低於接觸式和攻絲模式。
特點：由於是非接觸狀態，更適合研究柔軟或有彈性的樣品，並且對尖端或樣品表面沒有鈍化作用，但它確實如此有乙個誤判。 這種模式操作起來比較困難，一般不適合液體成像，在生物學上也很少應用。
（3） 攻絲
微懸臂以其共振頻率振動，擺動尖端輕輕敲擊表面，間歇性地與樣品接觸。 當針尖不與樣品接觸時，微懸臂以最大振幅自由振盪。 當針尖與樣品表面接觸時，微懸臂的振幅因空間障礙而減小，儘管壓電陶瓷盤以相同的能量激發微懸臂振盪。 反饋系統控制微懸臂的振幅恆定，針尖隨著表面的起伏而上下移動，獲取形貌資訊。
與非接觸式AFM類似，它比非接觸式AFM更接近樣品表面。 與接觸相比，損壞樣品的可能性更小（沒有側向力、摩擦或拖拽）。
攻絲模式的解像度與接觸模式一樣好，並且由於接觸時間很短，針尖與樣品之間的相互作用力非常小，通常為1皮牛頓（pn）和1納牛頓（nn），解像度的降低和由於剪下力對樣品的破壞幾乎消失了， 所以它適用於軟樣品，如生物大分子和聚合物進行影像學檢查。
AFM樣品製備和測試
（1）樣品製備過程
製備AFM時，對樣品是否導電沒有要求，因此測量範圍相對較寬。
圖1 AFM樣品流過程
（2）測試和結果分析
以氧化石墨烯AFM結果為例：
圖2 GO的AFM圖譜
AFM應用技術示例
AFM可以在大氣、真空、低溫和高溫、不同氣氛和溶液等多種環境中工作，並且不受樣品導電性能的限制，因此它比STM獲得了更廣泛的應用。 主要用途有：（1）導體、半導體和絕緣體表面的高解像度成像，三維形貌觀察
例如，AFM 有 01-0.2nm的高解像度，垂直方向解像度約為001nm。儘管AFM和掃瞄電子顯微鏡（SEM）的橫向解像度相似，但AFM和SEM技術最基本的區別是，在處理試樣深度變化時有不同的表徵。 由於可以以數值的形式準確獲得表面的起伏狀態，AFM可以分析整體表面影象，獲得樣品表面的粗糙度、粒度、平均梯度、孔隙結構和孔徑分布等引數，還可以對樣品的形貌進行豐富的三維模擬顯示， 使影象更適合人類的直觀視覺。
圖3 二氧化矽減反射膜的AFM圖和光柵的AFM圖
圖3a顯示了接觸模式下得到的二氧化矽減反射膜的原子力影象，也可以看到其表面的三維形貌。 圖3b是光柵的AFM影象，通常在半導體加工過程中測量高縱橫比結構，如溝槽和孔，以確定蝕刻的深度和寬度。 這些只能在 SEM 下通過沿橫截面切割樣品來測量。 AFM可以無損測量，然後返回生產線。
（2）生物樣品和有機膜的高解像度成像
例如，高速原子力顯微鏡（HS-AFM）可用於在分子水平上觀察膜上抗菌肽的活性。
圖4 AFM觀察到的抗菌肽的變化
從圖4可以看出，經過幾十分鐘的曝光後，可觀察到的結構發生了變化，成像觀察到乙個“凹陷”，乙個薄膜厚度減小的圓形區域，它與低聚物（圖4a）一起以瞬時速度（0.7±0.5 ms）在膜上。此外，觀察到酒窩簇（圖4C），這在文獻中以前沒有描述過，略微讓人聯想到靜態位於膜上的立方相，儘管內部動力學在幾秒鐘的時間尺度上重新排列（圖4D）。
AFM的成像速度取決於每個畫素的掃瞄時間。 當顆粒相對於顯微鏡的掃瞄速度快速移動時，粒子在顯微鏡掃瞄乙個畫素的時間內穿過幾個畫素，在這種情況下，無法定義顆粒所在的畫素的每一幀; 粒子在影象中未分解。 為了分辨顆粒，顆粒必須駐留在乙個畫素的區域內，至少需要顯微鏡掃瞄畫素所需的時間。
表面化學反應研究
（4）奈米加工與操作，觀察生物樣品的自組裝過程。
圖5 HS-AFM觀察了Ca2+存在下A5自組裝對富PS膜的影響
（5）超高密度資訊儲存
（6）分子間作用力與分子動力學
圖6 AFM以毫秒級的時間解像度監測構象變化
如圖6所示，AFM可用於表徵野生型細菌視紫紅質在連續光和短脈衝下的單分子動力學，並且可以以毫秒級的時間解像度監測其構象變化。
（7）摩擦學和各種力學研究
（8） 檢測和質量控制
原子力顯微鏡具有：具有以下優點：
1）樣品不需要導電;
2）能適應多種環境（如真空、大氣、液體、低溫等）;
3）可獲得物體表面的高解像度三維影象;
4）它可以對單細胞和單分子進行手術，如在細胞膜上打孔、切割染色體等。