コンタクトモードAFMプローブ

反発または静的モードとも呼ばれるコンタクトモードAFMは、原子間力顕微鏡操作の初期に開発されたモードです。 1986年初期のAFMスキャンはコンタクトモードで実施され、その後数十年で、現在最も広く使用されているタッピングモードに追い抜かれましたが、コンタクトモードは依然としてAFM研究において重要な役割を果たしています。

コンタクトモードの特徴は、一定の物理的接触を維持しながら、AFMティップがサンプル表面全体をスキャンすることです。 AFMティップとサンプル間の相互作用力は、AFMカンチレバーのバネ定数とそのたわみによって決まります。力は反発力であり、サブnNから数十μNの範囲で変化します。

より一般的に使用されるコンスタントフォースモードまたはディフレクションフィードバックモードでは、AFMのフィードバックシステムはAFMカンチレバーの小さなたわみ変化を検出し、そのたわみ量を最小化するようにZピエゾアクチュエータを介してAFMプローブ位置を垂直に上下させます。測定アウトプットは、Zピエゾアクチュエータの位置マッピングに基づく3DトポグラフィまたはZ高さの画像となります。

constant heightモードでは、Zピエゾアクチュエータは無効に設定しAFMプローブのZ位置を固定します。アウトプットは、AFMカンチレバーのたわみ量のマッピングです。 constant heightモードは、非常に平坦な表面での原子間力AFMイメージングに使用されます。

柔らかい（C <1N / m）AFMカンチレバーを備えたプローブは、相互作用力を低く保ちながら高いディフレクション感度を実現できるため、コンタクトモードのイメージングに使用されます。カンチレバーの長さは、数十マイクロメートルから数百マイクロメートルまで様々で、通常は400〜500μmです。同じバネ定数を持った2つのAFMカンチレバーでは、カンチレバーの長さが短いほどたわみ感度が高くなります。

タッピングモードに対してコンタクトモードのメリットの1つは、基本的なコンタクトモードスキャンの設定が容易な点です。オペレーターは、AFMカンチレバーの励振に関連するパラメーターを設定する必要はありません。したがって、コンタクトモードは、AFM初心者ための操作入門モードとして適しています。

一方、コンタクトモードでアーティファクトのない良好なスキャンを実現することは、タッピングモードほど簡単ではありません。ティップとサンプル表面間の垂直方向および横方向の相互作用の影響を考慮に入れる必要があります。摩擦力は、ティップの摩耗やサンプルダメージの可能性があります。さらにAFMティップは、サンプル表面上にある固定の緩い物体を動かすこともあります。大気中で測定する場合、一般にAFMティップがサンプル表面の水分層へ付着する問題が発生します。もし許容できるサンプルの場合は、液中または超高真空（UHV）環境下で測定することで、サンプル表面へのティップの付着を防ぎ、画像のアーティファクトを減らすことができます。

現在では、コンタクトモードは一般的に大気または液体環境下で生体分子および細胞を測定する際にも使用されます。非常に柔らかい生体サンプルであっても、液中環境下において極めて弱い力で押しこみスキャンを行うと、優れた結果が得られます。

コンタクトモードは、AFMティップとサンプル表面の継続的な物理的接触を必要とするすべての付加的または二次AFM測定モードのベースとなるモードです。コンタクトモードを発展させた、水平力顕微鏡/摩擦力顕微鏡（LFM）、コンダクティブAFM（C-AFM）、トンネル電流AFM（TUNA）、走査型拡散抵抗顕微鏡（SSRM）、走査型静電容量顕微鏡（SCM）などが使われています。これらの各テクニックの詳細については、こちらをご覧ください。