原子力显微镜与扫描电子显微镜的差异

用蚂蚁扫描电子显微镜拍摄的图像。（图像积分：shutterstock.com/lafayette -picture）

想要研究最小物理结构的科学家们有一系列的工具可供使用。两种最常见的是原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)。

虽然这两种技术都能够提供有关材料的纳米级信息，但它们是非常不同的方法，并且可用于揭示不同类型的信息。通常，它们在许多研究机构并排地区。

原子力显微镜

AFM是在20世纪80年代开发的，它在悬臂上使用一个尖头来读取表面。它可以被认为是一种留声机，能够感知材料表面的最小变化。

当AFM探针扫描时，对准悬臂梁非接触侧的激光测量探针与样品之间的相互作用量。有了这个装置，AFM就能够在原子尺度上垂直测定材料的表面形貌，在纳米尺度上水平测定材料的表面形貌。

AFM原则 - AFM如何运作。（视频信用：Park AFM / Youtube）

两个最常用的方法是接触模式AFM和TAPPPEMODE AFM，其可以在许多环境中进行。接触模式AFM涉及以矩形方式扫描探头或样品，同时检查悬臂偏转的换档。TappingMode AFM涉及在扫描过程中轻轻地“敲击样品表面上的尖端。

这两种技术都允许原子力显微镜生成纳米尺度表面的高分辨率图像。

扫描电子显微镜

在20世纪60年代进行实践，SEM使用聚焦的电子束而不是激光束来产生图像。

使用扫描电子显微镜（视频信用：莱斯特大学/ Youtube）

显微镜顶部的电子枪产生电子束，通过真空行进。当它朝向样品行进时，电子束通过一系列透镜和电磁场聚焦。当光束撞击样品时，它会释放检测并转换成三维图像的X射线和电子。

AFM / SEM差异：表面结构

AFM和SEM之间的显著差异出现在创建样品表面的代表。

在原子平滑的表面上，AFM能够仅使用单个扫描产生三维形貌。AFM还为这些表面提供更大的细节，因为SEM在解决高度光滑的表面上的微妙变化方面并不有效。

当扫描薄膜时，如用作存储器设备中的电容器，SEM和AFM可以产生非常相似的结果。然而，对于由SEM产生的图像，有时难以确定表面的斜率。相反，AFM提供高度信息，可以轻松确定薄膜上的表面特征是否上升或下降。

在相对粗糙的表面上，SEM的大景深使其在AFM上具有显着的优势。如果样品具有毫米高的细节，则SEM中使用的电子束的渗透使得可以进行图像的细节。

一层锡的原子力显微镜图像。(图片来源:Piret Pikma/Wikipedia Commons)

AFM / SEM差异：组成

在确定材料的组成方面，SEM在AFM上具有明显的优势。当电子束撞击样品时，发射多个不同的信号，包括背散射的电子，二次电子，X射线，光和电子。所有这些信号都提供了不同类型的信息。

X射线和背散射电子是两个最常用的信号。当SEM束撞击电子中的电子在样品原子中时，产生X射线排放。使用光谱仪，科学家可以使用X射线排放来确定样品的元素组成。

背部散射的电子是来​​自梁的电子散射出样品的背面。已经确定了来自样品的背散射电子的数量基于材料的原子数。检测器可以拾取这些电子并确定样品的化妆。

AFM可能无法提供样品元素组成的任何信息，但它可以确定许多其他组成属性，包括刚度、弹性、粘附性、磁场和静电场、温度分布、扩散电阻和电导率。其中一些技术包括使用磁性或导电探针探针，它可以检测探针探针和样品之间的吸引力和排斥力。

在AFM探针上使用钻石尖端还可以透露有关样品组成的细节。钻石尖端可用于在样品中划伤或制造小压痕，揭示有关其性质的信息。

AFM / SEM差异:环境

执行两种技术的方式的最大差异之一是进行测试的环境。SEM必须在真空环境中进行，而AFM可以在真空，环境，气体或液体环境中进行。

在生物学的某些方面，这一事实变得特别相关，需要测试水合样品。可以在这些情况下设置特殊腔室以使用SEM;但是，这导致解决的损失。

在必须在特定环境中测试样品的情况下，AFM提供了一个明显的优势。该技术常用于在封闭环境中对液体样品进行成像。AFM还可以用于在气体环境中进行测试，比如聚合物的开发。

一些相似之处和一个警告

尽管这两种技术有许多显著的差异，但SEM和AFM在许多方面非常相似。这两种工具都需要与表面相互作用来生成图像:一种使用电子，另一种使用光。两者都产生了类似的横向决议。

有一些组合这两种技术的系统，有些人认为组合设置损害了每个技术的完整性。例如，在真空中操作AFM会降低其灵活性并增加产生图像所需的操作时间。

另一方面，当双侧使用时，另一方面，SEM和AFM可以很好地相互补充并提供有关材料的丰富信息。

资料来源及进一步阅读

• 扫描电子显微镜和原子力显微镜:高分辨率表面研究的互补技术-布鲁克
• 扫描电子显微镜 - 普渡大学

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