2.2.1 Force Calibration mode 介紹 :
藉著測量Force curve 我們可以了解到 cantilever 與樣品表面間之交互作用狀 況，在Force Calibration mode， piezo 的 X 與 Y 軸的電壓值皆保持在零即 X 與 Y 方向的掃描功能將失去作用只剩 Z 軸的 piezo 可活動，施與電壓造成探針相對 於樣品的位置上下移動，其移動範圍為± 220V。
利用“ Z scan start ＂定出 Z 軸 piezo 移動的起始位置，其位置計算方式將 以Z- piezo 一開始進入 Force Calibration mode 時的平均 Z-center voltage 位置令為 零點定義出相對位置移動的關係，也就是說每做一個cycle 其零點位置將會變動 而重新定義;再藉由 Ramp size 定義出 piezo 總移動的距離，就可確定出 Z-piezo 移動的幅度，如下圖2.2.1 所示。
圖2.2.1 Z -Piezo 在 Force Calibration Mode 移動示意圖，本圖摘自[6]。
當Piezo 帶動探針上下移動時，cantilever-deflection 訊號可由 photodiode 偵 測到，所以可得到一 Z piezo 施加電壓與 cantilever deflection 訊號方程的 Force
curve，藉由分析此曲線可更加了解探針與樣品間的相關訊息，如 cantilever 的 sensitivity，可由此曲線的斜率得知；探針與樣品間之接觸力大小，由公式 可計算出，其中 代表 spring constant;對於樣品屬於軟性或生物樣品 等，其探針與樣品間之作用力的大小選擇則非常小心與重要，故setpoint 值的選 擇顯得很重要，藉由Force curve 的量測，我們可決定出適當的 setpoint 值，取得 最小的作用力點增加實驗的順利與成功性。
∆Z k
F= ⋅ k
此外，經由分析Force curve 在 tappingMode 下的量測，還可決定出 cantilever 擺動的振幅大小。
2.2.2 控制面板與操作方式
首先，依照正常 tappingMode 的操作程序，選擇好起始的 Amplitude setpoint 值，接著用滑鼠點選路徑 : View/Force Mode/Calibration 進入 Force Calibration mode，其操作面板如下圖 2.2.2 所示:
單一量測(one cycle) 暫停 連續量測
圖2.2.2 Force Calibration Mode 操作面板
利用滑鼠拉出Slope，
系統會自動算出此值
設定Z Scan Start 值與 Ramp Size 值，其單位可由 Units 選項點選為 Volts 或 Metric，而 Number of Samples 代表經由 Capture 後所儲存的 Extending 與 Retracting 的個別資料點數目,並不影響實際操作時所取的資料點數目。選定量測 Channel 為 RMS amplitude ，即可得到如下圖 2.2.3 的 Force Curve。此時，再利 用滑鼠拉出探針與樣品接觸區域的斜率，系統就會自動算出Amplitude sensitivity 值並標示於上； Amplitude sensitivity 的重要性，尤其是在 LiftMode 下量測 Amplitude Data，必須要先進行此量測定出正確的 Amplitude sensitivity，才可得 到確切的Amplitude Data 數值。
Free oscillating amplitude
Zero oscillating amplitude 利用滑鼠拉出Slope 在此範例
0.5718V
圖2.2.3 Force Calibration Plot
圖2.2.4 Force Calibration Plot – Unit : Metric
在得到Amplitude sensitivity 數值後，藉由將 Units 選項改為 Metric，即可得 我們的主要目標- cantilever 擺動的振幅大小(nm)，如上圖 2.2.4 所示，其換算機 制為式(2.6):
另外值得注意的是，在量測Force Calibration Mode 時，要盡量縮小或避免 左邊區域的Zero Oscilating Amplitude 出現在曲線上，因為那代表此時探針已經 非常的接近樣品甚至是接觸了，造成 cantilever 無法產生擺動，故所得到的 Amplitude 值將不再改變，若 Z-Piezo 再持續的往樣品方向前進，將造成探針的 損傷甚至是碎裂的情形發生，故Z Scan Start 與 Ramp Size 的選擇要非常小心與 重要。