关于原子力显微镜AFM，读这篇文章就够了

二十世纪八十年代，纳米技术诞生并快速发展，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）和原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）为此奠定重要基础，实现了材料表面的分子/原子级成像，并开启了纳米尺度的测量，但STM基于隧穿电流的工作原理，仅可用于表征导电的材料，而 AFM是基于针尖与样品之间原子作用力的探测，不要求样品具有导电性，因而可以用于研究金属、半导体、绝缘体等多种材料，大大弥补了STM无法研究非导电材料的局限。

 

相较于电子显微镜（SEM、TEM）要求材料具有导电性，且仅可在高真空环境中工作， AFM可以在大气、真空、甚至液体环境中工作，生物样品无需进行染色、包埋等处理，液体环境下的表征可以更好地服务于生命科学领域。此外，AFM不仅可以测量样品的2D形貌，还可以得到3D形貌。

 

01 AFM功能

（1）表面形貌和粗糙度

通过探针与样品间的作用力来表征材料表面的形貌，这是AFM 最基础的功能。分析形貌图可以得到材料表面的粗糙度、颗粒度、平均梯度、孔结构、孔径分布以及纳米颗粒尺寸等信息。

 

（2）高度和厚度

SEM测量沟槽或台阶的深度、高度或宽度时，需要将材料切出来一个截面方可测量，而AFM 进行此项测量时是无损的，其在垂直方向的分辨率约为0.01nm，也可以很好的用于表征纳米片的厚度。

 

（3）相图（Phase）

相图是AFM轻敲模式下的一种重要扩展技术，因表面抵挡及黏滞力的作用，会引起振动探针的相位改变量，而抵挡及黏滞力的差异由不同材料性质引起，因此相位差可以用于观察表面定性材质分布状况。

 

（4）KPFM（Kelvin Probe Force Microscopy，开尔文探针力显微镜）

KPFM通过测量探针与样品之间的接触电势差（Contact Potential Difference，CPD），从而得到样品的功函数和表电势分布图，同时也可以得到表面形貌，广泛应用于金属、半导体、生物等材料表面电势变化和纳米结构电子性能的研究。

 

（5）PFM（Piezoresponse Force Microscope，压电力显微镜）

PFM是在接触模式下用于表征压电、铁电等材料压电响应情况的测试手段，不仅可以进行表面成像，而且可以同时得到对应区域纳米尺度的电畴信息，并且可以通过探针对样品施加外力和电场使得电畴的方向发生变化（极化翻转）。研究电畴极化翻转有利于研究铁电材料的电畴成核、相结构稳定性、畴壁运动，研究其生长和弛豫过程中的动力学，研究电畴结构和形态缺陷的相互作用，并在纳米尺度上操纵铁电材料等。

 

（6）QNM（Quantitative Nanomechanical Mapping，定量纳米力学成像）

QNM是峰值力轻敲模式的一个重要应用，在对样品表面形貌进行高分辨率成像的同时还可以对材料进行纳米尺度的力学分析，通过力-位移曲线可以得到杨氏模量、粘附力、能量耗散和最大形变量等信息。

 

（7）C-AFM（导电力显微镜）

C-AFM测试电流分布基于接触模式下扫描时施加偏置电压于待测表面和导电探针之间，通过范围为 1pA （皮安）至 1 μA（微安）的线性放大器可以测量通过样品的电流，可以同时得到样品形貌和电流图像，从而测得表面电流分布及样品表面导电情况。此外，还可以通过定点扫描获取某点的I-V曲线。

 

（8）MFM（Magnetic Force Microscope，磁力显微镜）

磁性材料的宏观性能决定于材料磁畴结构和变化方式，对磁畴结构和变化方式的观测是铁磁学、信息科学和磁性材料与器件等学科领域的基础性研究之一。MFM可以实现磁力和形貌特性同步成像。

 

（9）LFM（Lateral force Microscope，横向力显微镜）

LFM 又称为FFM（Friction Force Microscope，摩擦力显微镜），在针尖扫描样品过程中，针尖不仅受到与样品表面垂直方向的作用力而导致微悬臂弯曲，还会受到二者水平方向相对运动产生的摩擦力影响，使得微悬臂产生水平方向的扭转，此时四象限光电探测器水平方向的变化就能反映样品表面的摩擦力信息。

 

（10）EFM（Electrical Force Microscope，静电力显微镜）

EFM 是在振动的针尖上施加一定偏压，如果样品表面带有电荷，就会与针尖产生静电相互作用，导致针尖的共振频率和相位发生变化。如果针尖与样品间为吸引力，会降低针尖共振频率，相位相应后移。反之，如果针尖与样品间为排斥力，会使针尖共振频率增大，相位随之前移。因而可以通过针尖所加的偏压性质和相位的变化来判断样品局域的带电信息。由于有多种因素会影响针尖的相位变化，为了保证待测样品带电信息的准确性，往往需要分别施加正负偏压获得两幅 EFM 图像，来辅助判断样品表面的电荷属性。

 

（11）液下成像模式

SEM、TEM测试生物样品必须进行固化、切片、脱水、导电处理等步骤，且无法得到生理含水环境下真实生物形貌，AFM有极佳的横向分辨率，同时它可以提供在液相中进行生物活性样品进行扫描分析。

 

02 制样要求

由于AFM是纳米级别的表征手段，一般要求样品表面平整，若样品表面起伏较大，可能探测不到部分样品表面从而无法得到真实的形貌。制样通常要求样品固定到基底上，且基底干净无杂质，如果样品未固定好，或者表面起伏较大，会导致图像异常或者无法扫描出数据。

常用的样品固定方法有用胶固定和静电吸附：常规样品一般用胶将样品粘到基底上，导电实验可使用银胶，液下成像模式注意所使用的胶不能在该液体环境中发生溶解；而例如带负电的DNA样品则可通过静电吸附作用固定到带正电的云母片上；除此之外，还可以通过探针修饰。

制样的基底可选用云母片、硅片、石墨、石英片等，其中最常用的是云母片和硅片，基底的选择取决于样品亲疏水性；云母片使用前需新鲜剥离最表面一层，硅片需双面抛光、超声清洗。

（1）粉末样品的制备：通常超声分散于水或乙醇等溶剂中，再滴涂于基底上，自然晾干；注意样品分散浓度尽可能小，分散后的溶液要透明，浓度过大样品颗粒容易团聚，很难得到好的图像。

（2）块状和薄膜样品的制备：一般用胶粘在样品台或基底上，注意块体样品需上下表面平行，金属、陶瓷等块体样品的待测面需抛光。

（3）液体样品的制备：将样品滴涂于基底上，自然晾干；同样需注意液体样品的浓度，避免团聚。

 

03 原始数据解析

（1）所有结果文件

测试结果包含原始数据和导出的图片结果，其中.spm文件为原始数据，需要用专业软件NanoScope Analysis打开；

（2）形貌图

包含2D形貌和3D形貌。

具体操作：软件打开原始数据后，点击Height Sensor图像，首先需要平滑图像，点击Flatten按钮Execute即可；

若存在高度大些的颗粒，可进行选区平滑。

具体操作：点击Flatten按钮，鼠标按住图像进行选区，再Execute即可；再次点击Flatten即可取消选区；

平滑后的图像较暗的话可进行亮暗调节。

具体操作：双击图像右侧的Color Bar，在Modify Color Table中拖动调节Offset和Contrast至合适即可；或者在Modify Data Table中调节。此外，图像颜色也可以在Choose Color Table中调节。

点击3D Image可将2D图像切换为3D图，鼠标在图像上拖拽可调节3D图的角度；若需将3D图背景改为白色可在右侧Inputs中的Background更改；

数据导出：点击Journal Quality Export按钮再Export即可，2D图还可用右键Export导出；

（3）粗糙度

常用的参数有表面平均粗糙度Ra和均方根粗糙度Rq，两者分别表示：

Ra——在所观测区域内相对中央平面测的高度偏差绝对值的算术平均值；

Rq——在取样长度内，轮廓偏离平均线的均方根值，是对应于Ra的均方根参数；

 

具体操作：2D 图像，点击Roughness即可得到粗糙度结果；

（4）高度和厚度

具体操作：2D图像，点击Section，鼠标划线即可；右键轮廓线图可导出TXT作图数据；

参考文献：

1. 陈琦琦. AAT 改性沥青胶结料的老化性能和混合料的抗滑性能研究[D]. 重庆交通大学, 2022.

2. Katsuyoshi Kondoh , Rei Takei, Shota Kariya, et al. Local galvanic corrosion analysis on cast Mg-Ca binary alloy using scanning Kelvin probe force microscopy. Corrsion Science, 213(2023)

3. K.Y. Zhao , W. Zhao, H.R. Zeng, et al. Tip-bias-induced domain evolution in PMN–PT transparent ceramics via piezoresponse force microscopy[J]. Applied Surface Science, 337(2015) 125–129.

4. 刘帅. 基于实时力谱显微镜技术的肿瘤细胞纳米力学性能的研究[D]. 河北工业大学, 2020.

5. M. Pea, L. Maiolo, E. Giovine, et al. Electrical characterization of FIB processed metal layers for reliable conductive-AFM on ZnO microstructures[J] Applied Surface Science , 371(2016) 83–90.

6. D.K. Hong, S.A. Han, J.H. Park, et al. Frictional force detection from lateral force microscopic image using a Si grating[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng., Aspects 313–314 (2008) 567–570.