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第1章 导论 1

1.1 原子力显微术的诞生 1

1.2 原子力显微术的发展阶段与里程碑 1

1.2.1 早期发展（1987—1992年） 2

1.2.2 探索与拓展（1993—1999年） 2

1.2.3 微悬臂探针动力学（2000—2006年） 3

1.2.4 多频原子力显微术（2007年至今） 4

1.3 轻敲模式或振幅调制原子力显微术 4

1.4 其他动态原子力显微术 5

1.4.1 频率调制原子力显微术 5

1.4.2 振幅调制与频率调制原子力显微术的对比 6

参考文献 6

第2章 仪器与基础概念 13

2.1 概述 13

2.2 振幅调制原子力显微术 13

2.3 振幅调制原子力显微镜的基本组成 13

2.3.1 反馈控制器 14

2.3.2 光束反射式偏转检测技术 15

2.3.3 其他偏转检测技术 17

2.3.4 针尖-样品运动系统 17

2.3.5 图像获取与显示 18

2.4 微悬臂探针系统 19

2.4.1 微悬臂 19

2.4.2 针尖 21

2.4.3 微悬臂探针振荡的激励 22

2.5 校正标准 22

2.5.1 光学灵敏度 23

2.5.2 微悬臂力常数的校准 23

2.6 常规实验曲线 25

2.6.1 大气和液体环境下的共振曲线 25

2.6.2 振幅和相位偏移与距离的关系曲线 26

2.7 位移与距离 27

参考文献 28

第3章 针尖-表面间相互作用力 33

3.1 概述 33

3.2 范德华力 34

3.3 机械接触力 35

3.3.1 Derjaguin-Muller-Toporov模型 36

3.3.2 Johnson-Kendall-Roberts模型 37

3.4 毛细力 38

3.5 液体环境下的力 39

3.5.1 静电双层力 40

3.5.2 Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek力 40

3.5.3 溶剂化力 41

3.5.4 水溶液中的其他力 42

3.6 静电力 42

3.7 非保守力 43

3.8 净针尖-表面间相互作用力 44

3.8.1 存在表面黏附回滞的硬质材料 45

3.8.2 黏弹性材料 45

参考文献 45

第4章 振幅调制原子力显微术的基础理论 50

4.1 概述 50

4.2 运动方程 50

4.3 点质量模型：基础方面 52

4.3.1 谐振子 53

4.3.2 弱扰动下的谐振子动力学 55

4.4 点质量模型：解析近似 56

4.4.1 扰动下的谐振子 57

4.4.2 Wang模型 58

4.4.3 位力能量耗散方法 58

4.5 顶点力与平均力 59

4.5.1 顶点力 61

4.5.2 平均力 61

4.6 点质量模型：数值解 61

4.6.1 吸引和排斥相互作用区 62

4.6.2 小于共振频率的微悬臂激励 63

4.7 有效模型 63

附录：Runge-Kutta法 64

参考文献 64

第5章 振幅调制原子力显微术的高等理论 71

5.1 概述 71

5.2 品质因数控制技术 71

5.3 非线性动力学 73

5.4 连续微悬臂梁模型 75

5.4.1 一维模型 76

5.5 点质量模型和连续模型的等价性 79

5.6 系统理论描述 80

5.7 力的重建方法：力与距离的关系曲线 81

5.7.1 Lee-Jhe法 82

5.7.2 H？lscher法 83

5.8 时间分辨的力 85

5.8.1 加速度 85

5.8.2 高次谐振方法 85

5.8.3 直接测量时间分辨的力 86

参考文献 87

第6章 液体环境下的振幅调制原子力显微术 95

6.1 概述 95

6.2 液体中微悬臂动力学的定量描述 95

6.2.1 远离表面的动力学 95

6.2.2 靠近表面的动力学 96

6.3 液体中的相互作用力 99

6.4 一些实验和理论方面的考虑 100

6.5 液体中动态原子力显微术的理论描述 101

6.5.1 解析描述：远离表面 101

6.5.2 解析和数值描述：存在针尖-表面间相互作用力 103

6.5.3 半解析模型 103

6.5.4 有限元模拟 106

参考文献 107

第7章 原子力显微术中的相位像 111

7.1 概述 111

7.2 原子力显微术中的相位成像 111

7.3 AFM相位成像的理论描述 115

7.3.1 原子级的相位成像：高品质因数 115

7.3.2 一般相位成像：低品质因数 117

7.4 纳米尺度下能量耗散的测量 117

7.4.1 能量耗散与可观测量 118

7.4.2 能量耗散过程的辨识 119

7.4.3 原子和纳米尺度下能量耗散的过程 120

参考文献 121

第8章 分辨率、噪声与灵敏度 128

8.1 概述 128

8.2 空间分辨率 128

8.2.1 垂直分辨率与噪声 128

8.2.2 横向分辨率 130

8.3 图像失真与表面重建 132

8.4 力诱导的表面形变 133

8.5 原子、分子及亚纳米级的横向分辨率 134

8.5.1 真实原子分辨 135

8.6 单个分子的高分辨成像 137

8.7 高分辨成像的条件 137

8.8 图像中的伪象 138

参考文献 139

第9章 多频原子力显微术 144

9.1 概述 144

9.2 简正模式和谐振 144

9.2.1 高次谐振的产生 144

9.2.2 本征模式与高次谐振的耦合 147

9.2.3 超越基频模式的成像 148

9.3 双模式原子力显微术 148

9.3.1 频率互调制 150

9.4 模式合成原子力显微术 151

9.5 扭转谐振原子力显微术 152

9.6 频带激励 154

参考文献 155

第10章 超越形貌成像 161

10.1 概述 161

10.2 散射型近场光学显微术 161

10.3 形貌成像与识别成像 163

10.3.1 针尖功能化 165

10.4 基于原子力显微术的纳米加工 166

10.4.1 AFM氧化纳米刻蚀 166

10.4.2 图案化与器件 168

参考文献 170

索引 174