要想做好工作，首先要磨刀，几十年来，已经开发出许多用于表面结构分析的现代仪器。 如透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、场电子显微镜（FEM）、场离子显微镜（FIM）、低能电子衍射（LEED）、俄歇光谱仪（AES）、光电子能谱（ESCA）、电子探针等。 这些技术在表面科学各个领域的研究中发挥着重要作用。 但任何技术在其应用中都会有一定的局限性例如，LEED和X射线衍射等衍射方法要求样品具有周期性结构，光学显微镜和SEM的分辨率不足以分辨表面原子，高分辨率TEM主要用于薄层样品的体相和界面研究，FEM和FIM只能检测半径小于100nm的针尖上的原子结构和二维几何性质， 而且样品制备技术复杂，因此能作为样品研究对象非常有限;还有一些表面分析技术，如X射线光电子能谱（ELS），它只能提供空间平均的电子结构信息; 有些技术只能获得间接结果，还需要配合试错模型。 此外，上述一些分析技术对测量环境有特殊要求，例如真空条件。 1985 年，IBM 的 Binning 和斯坦福大学的 Quate 开发了原子力显微镜 （AFM），它补充了 STM，可用于测量任何样品的表面，无论是否导电。 表1 显微镜技术性能指标对比
电子显微镜的背景
1932年：透射电子显微镜（transmission electron microscope，tem）。德国物理学家恩斯特（Ernst）和卢斯卡（Luska）发明了第一台电子显微镜。 该显微镜通过样品的极薄部分发射电子进行成像，对于观察细胞的内部结构非常有用透射电镜可以将标本放大多达 500,000 倍。
1965年：扫描电子显微镜（scanning electron microscope, sem）。它将电子束发射到标本表面（而不是穿过标本），然后形成标本外观的详细三维图像SEM可以将标本放大150,000倍。 1981年：扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscopy，stm）；IBM-Zurich 的 Binnig 和 Rohrer 发明了科学家可以通过检测从标本表面逸出的电子成像来观察细胞外层的单个分子STM 可将标本放大多达 100 万倍。 1985年原子力显微镜（atomic force microscope，afm）。Binnig、Gerber 和 Quate 开发了第一台原子力显微镜。 在20世纪70年代，有人提出冷冻电子显微镜（冷冻电子显微镜，冷冻技术），2013 年 12 月 5 日，美国加州大学旧金山分校，具有近原子分辨率 （34 埃），确定了 TRPV1 的结构，TRPV1 是一种在疼痛和热感知中起核心作用的膜蛋白，标志着冷冻电镜正式进入“原子分辨率”时代。AFM原理
AFM的原理比较简单，就是用一个微小的探针“摸索”样品表面以获取信息。
如**所示，当针尖接近样品时，针尖上的力使悬臂偏转或改变振幅。 悬臂的这种变化被检测系统检测到，然后转换为电信号传输到反馈系统和成像系统，并在扫描过程中记录一系列探头变化可以获得样品表面信息的图像。
AFM是在STM的基础上开发的。 不同之处在于，它没有使用电子隧穿效应，而是使用原子之间的范德华力相互作用来表示样品的表面特性。
假设两个原子，一个在悬臂中探针的尖端，另一个在样品的表面上，它们之间的力会随着距离的变化而变化，力和距离之间的关系如下图所示，当原子彼此非常接近时， 彼此电子云的排斥力大于原子核与电子云之间的吸引力，因此整个合力表现为排斥力的作用，相反，如果两个原子相隔一定距离，电子云排斥力的作用小于彼此原子核与电子云之间的吸引力， 因此，整个合力表现为万有引力。原子力显微镜利用原子之间的微妙关系来显示原子的外观。
AFM成像模式
（1） 触点类型
接触AFM是一种排斥模式，在这种模式下，探针尖端与样品进行“物理接触”以获得灵活性，当尖端轻轻扫过样品表面时，接触的力会导致悬臂弯曲，从而产生样品的表面图案。 由于它是接触式扫描，因此样品的表面在与样品接触时可能会弯曲。 经过多次扫描后，尖端或样品被钝化。
特点：通常，接触模式会产生稳定的高分辨率图像。 但是这种模式不适合研究生物大分子、弹性模量低的样品以及容易移动和变形的样品。
（2） 非接触式
在非接触模式下，针尖在样品表面上方振动，从不与样品接触，检测器检测到不会损坏样品的长程力，例如范德华力和静电力。
需要更硬的悬臂（以防止与样品接触）。 由此产生的信号更小，需要更灵敏的设备，虽然这种模式提高了显微镜的灵敏度，但当尖端和样品之间的距离较长时，它的分辨率低于接触式和攻丝模式。
特点：由于是非接触状态，更适合研究柔软或有弹性的样品，并且对尖端或样品表面没有钝化作用，但它确实如此有一个误判。 这种模式操作起来比较困难，一般不适合液体成像，在生物学上也很少应用。
（3） 攻丝
微悬臂以其共振频率振动，摆动尖端轻轻敲击表面，间歇性地与样品接触。 当针尖不与样品接触时，微悬臂以最大振幅自由振荡。 当针尖与样品表面接触时，微悬臂的振幅因空间障碍而减小，尽管压电陶瓷盘以相同的能量激发微悬臂振荡。 反馈系统控制微悬臂的振幅恒定，针尖随着表面的起伏而上下移动，获取形貌信息。
与非接触式AFM类似，它比非接触式AFM更接近样品表面。 与接触相比，损坏样品的可能性更小（没有侧向力、摩擦或拖拽）。
攻丝模式的分辨率与接触模式一样好，并且由于接触时间很短，针尖与样品之间的相互作用力非常小，通常为1皮牛顿（pn）和1纳牛顿（nn），分辨率的降低和由于剪切力对样品的破坏几乎消失了， 所以它适用于软样品，如生物大分子和聚合物进行影像学检查。
AFM样品制备和测试
（1）样品制备过程
制备AFM时，对样品是否导电没有要求，因此测量范围相对较宽。
图1 AFM样品流过程
（2）测试和结果分析
以氧化石墨烯AFM结果为例：
图2 GO的AFM图谱
AFM应用技术示例
AFM可以在大气、真空、低温和高温、不同气氛和溶液等多种环境中工作，并且不受样品导电性能的限制，因此它比STM获得了更广泛的应用。 主要用途有：（1）导体、半导体和绝缘体表面的高分辨率成像，三维形貌观察
例如，AFM 有 01-0.2nm的高分辨率，垂直方向分辨率约为001nm。尽管AFM和扫描电子显微镜（SEM）的横向分辨率相似，但AFM和SEM技术最基本的区别是，在处理试样深度变化时有不同的表征。 由于可以以数值的形式准确获得表面的起伏状态，AFM可以分析整体表面图像，获得样品表面的粗糙度、粒度、平均梯度、孔隙结构和孔径分布等参数，还可以对样品的形貌进行丰富的三维模拟显示， 使图像更适合人类的直观视觉。
图3 二氧化硅减反射膜的AFM图和光栅的AFM图
图3a显示了接触模式下得到的二氧化硅减反射膜的原子力图像，也可以看到其表面的三维形貌。 图3b是光栅的AFM图像，通常在半导体加工过程中测量高纵横比结构，如沟槽和孔，以确定蚀刻的深度和宽度。 这些只能在 SEM 下通过沿横截面切割样品来测量。 AFM可以无损测量，然后返回生产线。
（2）生物样品和有机膜的高分辨率成像
例如，高速原子力显微镜（HS-AFM）可用于在分子水平上观察膜上抗菌肽的活性。
图4 AFM观察到的抗菌肽的变化
从图4可以看出，经过几十分钟的曝光后，可观察到的结构发生了变化，成像观察到一个“凹陷”，一个薄膜厚度减小的圆形区域，它与低聚物（图4a）一起以瞬时速度（0.7±0.5 ms）在膜上。此外，观察到酒窝簇（图4C），这在文献中以前没有描述过，略微让人联想到静态位于膜上的立方相，尽管内部动力学在几秒钟的时间尺度上重新排列（图4D）。
AFM的成像速度取决于每个像素的扫描时间。 当颗粒相对于显微镜的扫描速度快速移动时，粒子在显微镜扫描一个像素的时间内穿过几个像素，在这种情况下，无法定义颗粒所在的像素的每一帧; 粒子在图像中未分解。 为了分辨颗粒，颗粒必须驻留在一个像素的区域内，至少需要显微镜扫描像素所需的时间。
表面化学反应研究
（4）纳米加工与操作，观察生物样品的自组装过程。
图5 HS-AFM观察了Ca2+存在下A5自组装对富PS膜的影响
（5）超高密度信息存储
（6）分子间作用力与分子动力学
图6 AFM以毫秒级的时间分辨率监测构象变化
如图6所示，AFM可用于表征野生型细菌视紫红质在连续光和短脉冲下的单分子动力学，并且可以以毫秒级的时间分辨率监测其构象变化。
（7）摩擦学和各种力学研究
（8） 检测和质量控制
原子力显微镜具有：具有以下优点：
1）样品不需要导电;
2）能适应多种环境（如真空、大气、液体、低温等）;
3）可获得物体表面的高分辨率三维图像;
4）它可以对单细胞和单分子进行手术，如在细胞膜上打孔、切割染色体等。