原子力显微镜在轻敲模式下工作时,相位像相比于高度像能提供更多的样品信息,因此如何提供高分辨率的相位像成为理论和实验研究的重要内容。原子力显微镜其核心部件为微悬臂梁系统,在轻敲模式下将其简化为质量-弹簧-阻尼振动模型。采用经典振动力学理论分析该模型,可得到一种提高相位像分辨率的方法。结果表明,在探针-样品系统中,对于不同的品质因子,通过合理选择激振频率可使相位像分辨率达到最大。研究结果对操作者在实验中取得更高分辨率的相位图具有一定的参考意义。

相位成像模式是近几年发展起来的一种原子力显微镜的检测模式，该模式可以提供丰富的样品表面纳米尺度信息，是形貌像的有利补充。本文给出了一种应用原子力显微镜轻敲模式的相位检测电路，结构简单，工作可靠稳定。通过实验获得了一些样品的相位像。

研究了采用微悬臂梁上集成的ZnO压电薄膜作为微驱动的探针的直接激振方法，比较了间接激振和直接激振方法下探针在液体中的振动性能，以标准生理溶液中的海拉细胞为样品，对原子力显微镜在液体环境下轻敲模式的成像性能进行了实验研究．研究表明，采用压电探针的直接激振方法在探针振动的幅频曲线中仅有单一谐振峰，可以避免在压电陶瓷管激振方法下由液体振动造成的寄生谐振峰，因此使用压电探针不仅提高了探针振动频率的控制精度，而且减小了针尖对样品的损坏，还提高了仪器的带宽和成像速度．对于512×512点阵和60μm×60μm范围的图像，使用该方法可将采集速度由原来的2～3min／帧提高到15-20s／帧，并且扫描速度的提高对原子力显微镜在动态过程中的研究有着重要的参考价值．

论述了一种新颖的原子力显微镜,它利用硅微探针的特殊结构和相关光学系统所引起的点衍射干涉现象[1]来扫描成像,因为硅微探针被用作反射型点衍射板,故光路完全共路,再结合锁相检测技术,使得该仪器抗干扰力极强且结构精巧紧凑,可适用于测试软硬不同材料样品,对软质高分子膜材料检测得到了实际的链状结构.

设计了一种小型轻敲式自感应原子力显微镜（AFM）测头以实现微/纳尺度下的几何量测量.轻敲式测头采用石英音叉式自感应探针,通过自身的电信号输出检测悬臂梁的振幅变化,无需额外的光学传感器.设计了测头的微弱自感应信号放大电路,并补偿音叉寄生电容对测量的干扰.机械结构紧凑便于将测头固定于光学显微镜下观察测量情况,同时屏蔽外界的干扰.利用显微激光多普勒测振系统,标定了测头机电耦合系数为145 nm/V,由此可以计算测头工作频率下悬臂梁的振幅.搭建了以纳米测量机（NMM）为高精度定位平台的测试系统,利用该系统对测头进行进/退针实验,标定测头的灵敏度为0.47 nm/mV,NMM内置的干涉仪保证标定直接溯源至＂米＂定义.实验表明测头的非线性误差小于1%,测量范围在百纳米级.

在轻敲模式AFM中,利用DMT模型与光探针点衍射理论结合来检测微探针的振动,并对振动信号进行频率域分析,通过检测和控制信号中高次谐波分量使针尖-样品间撞击力保持恒定.测试实验表明,该系统具有结构简单、可测不同材料的样品和对软质材料样品损伤小的优点,其测量重复性可达1%,分辩力可达1～5nm.

为轻敲模式原子力显微镜设计了一种激励方式,在带有状态反馈的轻敲模式原子力显微镜基础上,除去原有的外加激励信号而引入一个自动增益控制环节,用于维持状态反馈信号的幅度恒定,并将此信号作为悬臂振动的激励信号。该激励方式即为状态激励,用于轻敲模式时可称为状态激励轻敲模式原子力显微镜。采用Matlab/Simulink工具实现了对状态激励轻敲模式原子力显微镜系统的建模和数值仿真,起振曲线证明了状态激励信号能够驱动悬臂振动并调整其工作频率;逼近曲线、线扫描曲线等典型功能仿真实验证明了状态激励方式能够成功地应用于轻敲模式成像。

简述了原子力显微镜探测物体表面形貌的基本原理,具体地介绍了原子力显微镜的四大核心构件的属性与功能激光器、微悬臂、压电扫描器、光电检测器管;详细地阐述了该仪器探测运行的三种模式接触模式、非接触模式、轻敲模式,并重点讲述了轻敲模式的独到之处;强调了原子力显微镜所能进行的参数分析和数据处理功能,同时将原子力显微镜同其它表面探测仪进行了比较,突出了AFM的优越性;并结合仪器的构造和工作原理,对仪器的改进和发展提出了一些建设性意见.