原子力顯微鏡作為掃描探針顯微鏡的一個(gè)重要成員，是納米科學(xué)技術(shù)中的主要工具之一。
由于具有納米甚至原子量級(jí)的超高分辨率和柔性的測(cè)量環(huán)境要求使得AFM原子力顯微鏡在納米科技各領(lǐng)域，例如納米計(jì)量、表面科學(xué)和生物科學(xué)等中的應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛。 本文主要從多個(gè)側(cè)面研究原子力顯微鏡應(yīng)用的若干重要問(wèn)題。先探討AFM原子力顯微鏡測(cè)量中針尖和樣品形貌的耦合以及相應(yīng)的樣品形貌重建。
利用基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法，通過(guò)數(shù)值模擬，研究影響原子力顯微鏡粗糙度測(cè)量的探針和樣品的幾何因素。分析中同時(shí)考慮針尖曲率半徑、被測(cè)樣品表面的原始相關(guān)長(zhǎng)度、標(biāo)準(zhǔn)偏差和高度分布形態(tài)等綜合因素。并且從實(shí)驗(yàn)上表明了掃描速率對(duì)表觀圖像質(zhì)量和測(cè)量粗糙度的影響。這部分工作在AFM原子力顯微鏡掃描圖像定量評(píng)價(jià)上有重要意義。 其次，從理論和實(shí)驗(yàn)上分析現(xiàn)今廣泛采用的振動(dòng)測(cè)量模式的一些機(jī)理，如探針振動(dòng)過(guò)程中的振幅——位移和相位——位移曲線以及探針的非線性振動(dòng)現(xiàn)象。
利用3D模式，系統(tǒng)地對(duì)振動(dòng)模式中原子力顯微鏡微懸臂的非線性振動(dòng)特性作了實(shí)驗(yàn)分析。對(duì)已有的利用振動(dòng)模式掃描JI化力顯微鏡對(duì)DNA測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)建模分析，發(fā)現(xiàn)計(jì)算的DNA徑向彈性模量隨變形增加而增加，說(shuō)明基底效應(yīng)對(duì)測(cè)量的影響不可忽略。利用接觸模式、Jumping模式、接觸振動(dòng)模式和非接觸振動(dòng)模式對(duì)DPPC單層膜的形貌和粘附力進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在接觸振動(dòng)模式下，測(cè)量的DPPC形貌出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象?；谡掣搅σ鸬哪芰繐p耗的定性分析則可以合理解釋上述形貌的反轉(zhuǎn)。
再次，利用靜電力顯微術(shù)定性標(biāo)定G4分子和單壁碳納米管的導(dǎo)電性。嘗試在液體環(huán)境下利用AFM原子力顯微鏡同時(shí)測(cè)量法向力和電流，發(fā)現(xiàn)對(duì)于部分商用的導(dǎo)電探針和自鍍金屬膜的探針能夠在皮牛量級(jí)的作用力下跟樣品建立電學(xué)接觸。然而，對(duì)液體環(huán)境下，如何產(chǎn)生可靠的導(dǎo)電探針和導(dǎo)電針尖的壽命問(wèn)題是電學(xué)性能定量標(biāo)定的瓶頸。同時(shí)，本文中還獲得了大氣與液體環(huán)境下的低隧道電流反饋的掃描隧道顯微鏡原子分辨圖像。 文中第四部分主要介紹一種循環(huán)溶液原子力顯微鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)在生物樣品測(cè)量和原位觀測(cè)溶液下晶體生長(zhǎng)具有很大的潛力。作為其中的一種應(yīng)用，用該原子力顯微系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀測(cè)(Ba，Sr)SO4晶體在重晶石(001)晶面上的生長(zhǎng)狀況，系統(tǒng)地測(cè)量分析晶體生長(zhǎng)的生長(zhǎng)形貌以及臺(tái)階生長(zhǎng)速率和二維小丘分布密度隨溶液不同組份及濃度的變化關(guān)系。并且利用AFM原子力顯微鏡進(jìn)行了微刻壓實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)伴隨微壓痕的產(chǎn)生，在重晶石晶體(001)晶面表面上沿著某特定晶向會(huì)產(chǎn)生幾埃量級(jí)的位錯(cuò)。