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用扫描电子显微镜拍摄的蚂蚁的图像。(图片学分: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关于材料的纳米级信息，但它们是非常不同的方法，可以用来显示不同种类的信息。通常，在一些研究机构中，它们是并排存在的。
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。
原子力显微镜原理-原子力显微镜如何工作
AFM原理- AFM是如何工作的。(视频来源:Park AFM / YouTube)
两种最常用的方法是接触模式AFM和TappingMode AFM，它们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针或样品，同时检查悬臂挠度中的位移。TappingMode AFM是指在扫描过程中轻轻地“轻敲”样品表面的尖端。
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年代开始实施的扫描电镜(SEM)使用聚焦电子束而不是激光束来产生图像。
使用扫描电子显微镜
使用扫描电子显微镜(视频来源:莱斯特大学/YouTube)
显微镜顶部的电子枪产生电子束，电子束向下穿过真空。当它向样品移动时，电子束被一系列透镜和电磁场聚焦。当光束击中样品时，它释放出x射线和电子，这些射线和电子被探测到并转换成三维图像。
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。
在原子光滑的表面上，AFM仅用一次扫描就能产生三维形貌。AFM还为这些表面提供了更大程度的细节，因为SEM在解决高度光滑表面上的细微变化方面效率不高。
当扫描薄膜时，比如在存储设备中用作电容器的薄膜，SEM和AFM可以产生非常相似的结果。然而，用扫描电镜生成的图像，有时很难确定一个表面的斜率。相反，AFM提供了高度信息，从而很容易确定薄膜的表面特征是上升还是下降。
在相对粗糙的表面上，SEM的大景深使它比AFM具有显著的优势。如果一个样品有毫米高的细节，SEM中使用的电子束的穿透使这些细节成像成为可能。
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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
在确定材料的组成时，SEM也比AFM有明显的优势。当电子束击中样品时，会发射出许多不同的信号，包括背向散射电子、二次电子、x射线、光和电子。所有这些信号都提供不同种类的信息。
x射线和反向散射电子是两种最常用的信号。当扫描电镜束流中的电子撞击样品原子中的电子时，产生x射线发射。使用光谱仪，科学家可以用x射线发射来确定样品的元素组成。
后向散射电子是从样品背面散射出来的电子束中的电子。样品的背散射电子数是根据材料的原子数来确定的。探测器可以捕捉到这些电子并确定样品的组成。
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探针上使用金刚石尖端还可以揭示样品组成的细节。金刚石尖端可以用来划痕或在样品上做小的凹痕，揭示其特性的信息。
AFM / SEM差异:环境
两种技术执行方式的最大区别之一是执行测试的环境。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。
这个事实在生物学的某些方面变得特别相关，在那里需要测试水合样品。在这些情况下，可以设置一个特殊的腔室来使用扫描电镜;然而，这导致了分辨率的丧失。
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。
有些相似之处，还有一句警告
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。
有一些系统结合了这两种技术，有些人认为组合设置会损害每一种技术的完整性。例如，在真空中操作AFM降低了它的灵活性，增加了生成图像所需的操作时间。
另一方面，当同时使用时，SEM和AFM可以很好地互补，并提供关于材料的丰富信息。
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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