原子力显微镜 (AFM)是一种高分辨率非光学成像技术，由 Binnig、Quate 和 Gerber 于 1985 年首次演示。此后，它已发展成为一种强大的表面分析测量工具。AFM 能够在空气、液体或超高真空环境中以极高的分辨率精确、无损地测量样品表面的形貌、电学、磁性、化学、光学、机械等特性。这种独特的功能组合使 AFM 成为全球大多数先进科学技术实验室中不可或缺的仪器。
一、AFM工作原理
带有光学反馈的标准 AFM 系统（图 1）的基本工作原理是用一个带有锋利 AFM 针尖的AFM 探针以光栅模式扫描样品表面。AFM 针尖通常由硅或氮化硅制成，集成在 柔性 AFM 悬臂的自由端附近。压电陶瓷扫描器控制 AFM 探针相对于表面的横向和垂直位置。当 AFM 针尖在不同高度的特征上移动时，AFM 悬臂的偏转会发生变化。从 AFM 悬臂背面反射并射入位置敏感光电探测器的激光束跟踪该偏转。反馈回路控制扫描器的垂直延伸，以保持接近恒定的 AFM 悬臂偏转，从而保持恒定的相互作用力。AFM 针尖在扫描过程中跟踪的坐标被组合起来，以生成表面的三维形貌图像。
图 1. AFM 示意图。
二、AFM 操作模式
原子力显微镜对表面形貌进行成像有两种基本模式：静态模式（或接触模式）和动态模式。动态模式又根据AFM探针与表面之间的相互作用力，进一步细分为轻敲模式（或间歇性接触模式）和非接触模式。
1. 在接触模式下，AFM 探针尖端在样品表面扫描，同时保持与样品的恒定接触（图 2）。反馈系统旨在保持 AFM 悬臂的恒定偏转，从而保持恒定的相互作用力。AFM 尖端与样品表面之间的力为排斥力（图 3）。通常使用力常数 ≤ 1N/m 的软 AFM 悬臂，以最大限度地减少 AFM 尖端的磨损和表面损伤，并提高灵敏度。
图2（左图）接触模式AFM操作示意图；图3（图右）接触、轻敲和非接触模式的操作区域。
接触模式操作的主要缺点包括：AFM 探针在软质 AFM 悬臂上易受横向力和粘附在环境空气中大多数表面的污染层的影响。这会导致图像失真。此外，横向力还会损坏 AFM 探针探针和软质样品。
2. 在轻敲模式下， AFM 探针悬臂由压电致动器驱动，使其以基本谐振频率或接近其谐振频率（通常为几十到几百千赫兹）振荡。AFM 探针向下移动到样品表面，使 AFM 探针尖端在 AFM 悬臂振荡的下端略微接触样品表面（图 4），从而抑制其振荡幅度。反馈回路保持 AFM 悬臂振荡幅度恒定，从而保持相互作用力恒定。AFM 探针尖端与样品表面之间相互作用的主要力是排斥力（图 3）。
图4.轻敲模式操作示意图。
标准轻敲模式操作使用力常数在 10-100N/m 范围内且谐振频率 >190kHz 的刚性 AFM 悬臂。这些 AFM 悬臂在环境空气中测量时不会粘附在表面上。对于测量软样品（例如活细胞），则使用力常数小于 10N/m 甚至低于 0.1N/m 的较软 AFM 悬臂。
3. 在非接触模式下，AFM 悬臂以谐振频率或接近谐振频率振荡，振幅比轻敲模式更小（1nm 或更小），AFM 探针尖端保持在距离表面几纳米到几十纳米的距离（图 5），处于相互吸引作用力的区域（图 3）。在某些情况下，反馈回路会保持恒定的 AFM 悬臂振荡频率，从而保持恒定的相互作用力（FM-AFM）。这种方法可以更精确地控制力，并在液体中获得超高分辨率图像。
图5.非接触模式操作示意图。
非接触模式的优势在于，它能够最大程度地降低针尖与样品表面之间的相互作用。较小的相互作用力有助于保持AFM针尖的锐度并实现高分辨率。其劣势在于，AFM针尖很难保持在吸引状态。对于较小的针尖-样品表面距离，需要高性能的反馈控制。
具有高力常数和高共振频率的AFM悬臂最适合非接触模式。
三、额外的AFM成像技术
除了形貌特征外，原子力显微镜还能研究各种其他表面特性。这些附加成像技术基于三种基本操作模式之一。它们有助于在获取样品形貌的同时提取关于样品表面的附加信息。
其中一些模式（例如 EFM 和 MFM）通常使用辅助技术——双程模式，又称提升模式 或悬停模式。在提升模式下，原子力显微镜 (AFM) 在同一扫描线上独立采集形貌数据和电场或磁场数据。第一程是常规形貌扫描。在第二程（第二线扫描或回扫扫描）中，AFM 探针以预设的垂直距离（通常为 5-50nm）追踪表面形貌，通过改变 AFM 悬臂振荡的共振频率或相位来收集有关长程静电力、磁场力等的信息。
最近开发的单次通过方法允许在具有更高灵敏度和更高分辨率的锁定放大器的帮助下在一次通过中同时收集地形和其他数据。
以下是一些常用的附加成像技术的列表。
1. 相位成像：以动态模式记录驱动信号和AFM悬臂振动之间的相位差，可以提供有关材料特性（如弹性、粘附性等）的附加信息。
2. 液体中的原子力显微镜 (AFM)：在接触和轻敲模式下均可测量水溶液中的生物样品和其他样品。对于液体中的应用，通常使用氮化硅探针。在液体中使用柔软的原子力显微镜悬臂进行测量有助于避免原子力显微镜探针尖端对样品表面造成损坏。
3. 高速扫描（HSS）：借助具有兆赫兹共振频率的AFM悬臂和高速电子设备，将扫描速度和反馈速度提高到视频速率，从而可以实现生物研究中的动态过程的可视化。
4. 超高真空 (UHV) AFM：在超高真空下进行 AFM 测量可以保护样品表面免受水膜形成和污染，从而进行原子分辨率成像。
5. 力调制显微镜(FMM)：在接触模式下扫描时，周期性信号以机械方式驱动原子力显微镜 (AFM) 悬臂沿垂直方向运动 [5]。AFM 悬臂调制的幅度根据样品的弹性特性而变化，从而可以绘制样品的弹性响应。
6. 横向力显微镜（LFM）：通过使用四段光电探测器并以接触模式扫描，显微镜不仅能够检测AFM悬臂的垂直偏转，还能检测由于 作用于AFM探针尖端的横向力（通常是摩擦力）引起的扭转。
7. 静电力显微镜 (EFM)：通过对具有导电涂层的中等硬度 AFM 探针施加电压偏置，可以在非接触模式下分析样品表面电场梯度的变化。
8. 开尔文探针力显微镜 (KPFM)：通过施加直流和/或交流电压偏置，可以实现接触电位或功函数映射。
9. 扫描电容显微镜 (SCM)：局部电容测量利用导电原子力显微镜 (AFM) 探针和高频谐振电容传感器进行，通常用于测定半导体中的载流子浓度。该技术源自接触模式，在施加直流和高频交流电压偏置的同时，测量原子力显微镜 (AFM) 探针和样品表面之间的电容变化。
10. 压电响应力显微镜 (PFM)：此模式利用逆压电效应，通过在接触模式下扫描导电 AFM 尖端并同时施加交流电压偏置以从表面域引起机械变形来研究压电和铁电材料。
11. 导电原子力显微镜 (C-AFM)：可以使用导电原子力显微镜 (AFM) 探针在接触模式下测量表面的局部电阻率。在 AFM 探针和样品之间施加电压差，并记录产生的电流。扫描扩散电阻显微镜 (SSRM)是一种密切相关的技术，它扫描器件的横截面积以确定半导体中的掺杂浓度。这两种技术对 AFM 探针的要求都很高，并且需要 AFM 探针具有高耐磨导电涂层。IV谱法允许通过在点接触模式下在目标样品位置上逐渐增加电压偏置来检查偏置依赖的电阻率。
12.磁力显微镜 （MFM）：带有硬磁涂层的AFM探针用于在非接触模式下研究样品表面上方的磁场。
13. 力-距离 (F - d) 测量：在该技术中，当 AFM 探针尖端接近样品、压向样品然后从表面缩回时，AFM 悬臂挠度作为压电位移的函数进行监测。获得的力-距离曲线可以提供有关接触点处材料刚度和弹性、范德华力、AFM 尖端粘附力、分子拉伸力等信息。
在纳米压痕测试中，我们分析的是接近曲线；在附着力测试中，我们分析的是回缩曲线。另一种相关技术——力体积模式，在扫描过程中，在一组预先定义的测量点处进行力-距离测量。我们可以根据样品的刚度以及在更高的力灵敏度和更大的最大力之间的权衡，使用不同刚度的原子力显微镜（AFM）悬臂。
14.脉冲力模式（PFM）：通过引入比AFM悬臂共振频率低得多的振荡，在间歇接触扫描的每个点获取力-距离曲线，从而绘制样品的粘附性和刚度。
相关技术化学力显微镜 (CFM)使用化学改性的 AFM 尖端来追踪样品表面不同化学基团的分布。
此列表并非详尽无遗。还有更多基于 AFM 的技术。
四、测试样品要求
1. 样品状态：可为粉末、液体、块体、薄膜样品（粉末和液体样品需制样后进行测试）
2. 粉末样品：常规测试项目样品起伏一般不超过5微米，特殊测试项目样品起伏一般不超过1um
3.对于不导电的样品，如塑料，聚合材料，高分子材料之类，建议使用吸附胶盒、离心管等装样，不要直接用自封袋装，如需使用自封袋请将样品与包装固定牢固，避免运输过程中摩擦产生静电，导致样品难测或无法测试
4.薄膜或块状样品尺寸要求：长宽0.5-3cm之间，厚度0.1-1cm之间，表面粗糙度不超过5um，一定要标明测试面！块状样品需要固定好，避免在寄送过程产生晃动或摩擦影响测试结果！
5. 测试PFM、KPFM、C-AFM、PeakForce TUNA的材料需要将样品制备在导电基底上，基底大小符合块状样品的尺寸要求，KPFM、C-AFM、PeakForce TUNA的样品需要导电或至少为半导体；
6. PFM，KPFM测试需要样品表面十分平整，样品粗糙度最好在10-200nm之间，粉末样品测试很难测到较好结果
五、AFM分辨率
AFM 图像的分辨率越高，可以提取的有关样品表面最小特征的信息就越多。
AFM（原子力显微镜）的 Z 轴分辨率通常被定义为 AFM 的本底噪声，是通过在 AFM 未扫描时捕捉探针在表面的运动反馈来测量的1。从这个角度来说，AFM Z 轴分辨率的定义本身与探针无关。
然而，在实际测量中，探针会对 Z 轴分辨率产生影响。如果探针的刚性不足，在扫描过程中受到样品表面力的作用时，可能会发生弯曲或变形，导致 Z 轴方向上的测量不准确，影响分辨率。另外，若探针的针尖形状不规则或有磨损，也可能使它在扫描时不能准确地跟随样品表面的起伏，从而降低 Z 轴分辨率。例如，当扫描具有深而窄的孔或沟槽结构的不平整样品表面时，普通 AFM 探针由于尺寸限制无法完全进入微细结构中并遵循其轮廓扫描，就难以准确反映样品在 Z 轴方向的真实形貌4。
另一方面，实现的横向分辨率通常受 AFM 探针尖端的几何形状限制，而不是受显微镜功能的限制。
中等水平的 AFM 通常能够实现亚纳米横向分辨率和亚埃垂直分辨率。
六、结果展示
1. AFM二维形貌图：
2. AFM三维高度图：
3. AFM厚度分析及粗糙度数据（Ra和Rp ）：
4. KPFM：
5. 弹性模量&Force Mapping
七、常见问题
1.为什么AFM测试样品颗粒或者表面粗糙度不能过大？
AFM仪器测试的Z相是有一定范围的（一般是10 μm左右，有些仪器可能只有2 μm），因此，样品表面起伏过大的样品可能会超出仪器扫描范围。另外，粗糙度比较大的样品会导致针尖易磨钝或者受污染，磨损无法修复增加耗材成本，且会严重影响图像的质量。
2.AFM拍摄的表面形貌或粗糙度与自己预期不符合是什么原因？
原子力显微镜成像范围较小，与拍摄样品表面是否均匀息息相关，同一样品不同拍摄部位表面形貌和粗糙度极有可能不一致，需要不断寻找合适的位置拍摄。
3.样品导电性不好能不能测AFM？是否需要喷金处理？
AFM常规测试对样品的导电性没有要求，样品不导电也可以测试，不需要做喷金处理。但是部分电学模块的测试，比如KPFM，是需要样品导电的，因为该项目测试目的就是为了看样品表面的电势情况。
4.AFM的粗糙度结果怎么看？
一般看Ra（Roughness average，平均值粗糙度）和Rp（Root mean square roughness，均方根粗糙度）即可，这两个都能参考，在使用时同组数据保持一致就行，数值越大表示粗糙度越大。返回搜狐，查看更多