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# AFM简介
原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种用于研究物质表面结构与性质的先进仪器。其工作原理是通过探测待测样品表面与微型力敏感元件之间极其微弱的原子间相互作用力来实现相关研究。具体而言，有一对对微弱力极为敏感的微悬臂，其中一端被固定，而另一端的微小针尖则靠近样品。在此过程中，针尖与样品相互作用，这种相互作用产生的力会致使微悬臂出现形变或者其运动状态发生改变。在对样品进行扫描操作时，借助传感器对这些变化进行检测，进而能够获取作用力的分布信息。基于此，原子力显微镜能够以纳米级的分辨率呈现出样品的表面形貌结构信息以及表面粗糙度信息。
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# 常见仪器型号
原子力显微镜常用设备以进口品牌为主，包括布鲁克Bruker、韩国帕克Park、英国牛津仪器、日本岛津SPM等。
图1.1 材料型原子力显微镜——Bruker Dimension®系列。
左：Bruker Dimension® Icon；右：Bruker MultiMode® 8
布鲁克Bruker仪器公司以样品类型可分为材料型原子力显微镜（图1.1）和生物型原子力显微镜（图1.2）。
图1.2生物型原子力显微镜——Bruker Nanowizard系列。
左：NanoWizard 4 XP BioScience/ULTRA Speed 2/V BioScience；右：Dimension FastScan Bio
帕克Park、英国牛津Cypher、岛津SPM展示主要的三种型号原子力显微镜，如图1.3-1.5。仪器的详细信息及基础操作演示视频链接详见引文 。
图1.3 帕克Park仪器公司原子力显微镜型号。左：Park NX10——小样品AFM；中：Park NX20——大样品AFM；右：Park NX-Hivac——高真空原子力显微镜
图1.4 英国牛津Cypher仪器公司原子力显微镜型号。左：JUPITER系列；中：CYPHER系列；右：MFP-3D系列
图1.5 岛津SPM仪器公司原子力显微镜型号。左：SPM-Nanoa；中：SPM-9700；右：SPM-8100FM
03
# AFM原理
原子力显微镜（AFM）以检测原子间极为微弱的相互作用力为手段来探究物质的表面结构及性质。其基本原理是，当原子间距离靠近时，对外表现为排斥作用力；而当原子距离远离时，则呈现相互吸引力，如图 2.1 所示。AFM 主要由以下几个部件组成：探针针尖、悬臂、激光、PSD 光电检测器以及反馈成像系统。具体来讲，将对微弱力极为敏感的微悬臂的一端固定，另一端设有微小的针尖，该针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极为微弱的排斥力，在扫描过程中控制这种力保持恒定，带有针尖的微悬臂会依据针尖与样品表面原子间作用力的等位面，在垂直于样品表面的方向上起伏运动。利用激光器发射的激光束经光学系统聚焦在微悬臂背面，再从微悬臂背面反射至由光电二极管构成的光斑位置检测器。此时，由于微悬臂会随着样品表面形貌的弯曲起伏而变化，反射光束也会随之偏移。因此，通过光电二极管能够测量出微悬臂在扫描各点的位置变化，从而获取样品表面形貌的信息。
图2.1 原子力显微镜基本测试原理
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# 成像模式
原子力显微镜通过运用悬臂对特定区域的扫描完成样品表面形貌成像，未敏光电二极管检测赝品表面高低起伏的形貌，导致悬臂弯曲，通过反馈回路控制针尖在表面的高度稳定激光位置，最终形成一幅表面精确的形貌像。原子力显微镜有三种基本成像模式，以针尖与样品之间的作用力的形式来分类，分别是接触式(Contact mode)、非接触式(non-contact mode)、轻敲式(tapping mode)。
3.1 接触式：排斥力模式
接触模式中，悬臂扫描时，始终保持与样品接触，因此当悬臂扫过样品表面时，强烈的排斥力导致悬臂弯曲，从而得到样品的表面形貌，如图3.1所示[10]。
原子力显微镜通过运用悬臂对特定区域的扫描完成样品表面形貌成像，未敏光电二极管检测赝品表面高低起伏的形貌，导致悬臂弯曲，通过反馈回路控制针尖在表面的高度稳定激光位置，最终形成一幅表面精确的形貌像。原子力显微镜有三种基本成像模式，以针尖与样品之间的作用力的形式来分类，分别是接触式(Contact mode)、非接触式(non-contact mode)、轻敲式(tapping mode)。
3.1 接触式：排斥力模式
接触模式中，悬臂扫描时，始终保持与样品接触，因此当悬臂扫过样品表面时，强烈的排斥力导致悬臂弯曲，从而得到样品的表面形貌，如图3.1所示[10]。
接触模式的图像分辨率高，但会对样品表面造成损害和污染，导致针尖磨损严重。由于探针直接与样品接触，此模式不适合液体样，或者易产生形变的柔软性样品。适合硬度大，表面粗糙度小的固体材料类样品。
3.2 非接触式：吸引力模式
非接触模式中，悬臂扫描时，在样品表面上方振动，精确高速的反馈回路阻止针尖撞击表面并保持针尖的锐利，当针尖接近样品表面时，悬臂的振幅减小，通过运用反馈回路纠正振幅偏差，从而得到样品的表面形貌像，如图3.2所示。
非接触模式的针尖磨损小，样品表面不受破坏。但由于针尖和样品表面距离较远，原子间作用力微弱，会导致图像分辨率变低。
3.3 轻敲模式
轻敲模式介于接触模式与非接触模式二者之间，探针既没有完全接触，也没有完全脱离表面，悬臂振幅相对于非接触模式更快。更大的振幅能够充分放大偏移信号，使控制回路更加容易控制形貌反馈，如图3.3所示。
图3.3 轻敲模式测试原理
轻敲模式兼有接触模式和非接触模式二者的优点，既不会损害样品表面，又能实现较高分辨率。但因为需要使用更高振幅频率扫描，因此需要更长的扫描时间。适合测试硬度小、较柔软的生物类样品。
3.4 其他成像模式
除以上三种基本成像模式外，在此基础上，衍生出了其他具有针对性的成像模式。
3.4.1 纳米电学模式
●静电力显微镜(EFM，Electrostatic Force Microscopy)：静电力成像；
●压电力显微镜(PFM，Piezoresponse Force Microscopy)：压电样品极性等磁畴现象；
●开尔文探针显微镜(KPFM，Kelvin Probe Force Microscopy)：表面电势成像；
● 扫描隧道显微镜(STM，Scanning Tunneling Microscopy)：表面局部电子结构；
●扫描电容显微镜(SCM，Scanning Capacitance Microscopy)：电荷分布成像；
● 导电探针原子力显微镜(C-AFM，Conductive Probe AFM)：表面局部电子结构。
3.4.2 纳米力学模式
●力调制显微镜（FMM，Force Modulation Microscopy）：样品弹性的力幅和相位成像；
●横向力显微镜（LFM，Lateral Force Microscopy）：摩擦力；
●力-距离曲线（F-D，Force Distance Spectroscopy）：针尖与样品表面间的垂直相互作用；
●力阵列成像（Force Volume Imaging ）：针尖与样品表面间的垂直相互作用；
●纳米光刻：通过施加力或电压，在样品表面操作与创建图形；
●纳米压痕技术：向悬臂施加过力，在样品表面形成压痕，测量硬度与弹性等力学性能。
3.4.3 其他特殊模式（热、磁、电化学等性质研究）
●扫描热显微镜（SThM，Scanning Thermal Microscopy）：样品局部热导率；
● 磁力显微镜（MFM，Magnetic Force Microscopy）：表征样品表面的磁变化情况；
●电化学显微镜（EC-AFM，Electrochemical Microscopy）：针对电池类样品。
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# 样品测试要求
4.1 适用样品
1. AFM制样对样品导电与否没有要求，可以很平也可以不那么平，对表面光洁度有一定要求，测量范围比较广泛，粉末、薄膜、块状、液体样品均可测试；适用于多种环境，可在真空，空气和溶液中进行；
2. 可以测试有机固体、聚合物以及生物大分子等，样品大小最大1×1cm，厚度最厚0.5cm；
3. 样品上下表面整洁，没有油渍灰尘等污染物；
4. 若是纳米颗粒样品，先用分散剂超声分散后，滴在云母、硅片等平整的基底上，干燥后测试；
5. 若是静电纺丝样品，要求样品紧实致密。若不能制备为紧实致密的静电纺丝样品，要求样品制备在铝箔的光滑表面，且为单层丝；
6. 若样品表面有无机盐，先用水等清除盐分后来测试，因为盐分结晶影响形貌的扫描；
7. 若是要测试薄膜厚度，先把薄膜和基底作出一个边界清除的台阶。
4.2 送样须知
1. 样品状态：可为粉末、液体、块体、薄膜、有机固体、聚合物以及生物大分子等，除薄膜/片状样品，通常以液体形式进行制样，保证样品均匀分散，无沉积；样品的载体可以是云母片、玻璃片、石墨、抛光硅片、二氧化硅和某些生物膜等，其中常用的是云母片和硅片。薄膜或块片可以直接测试。
2. 粉末/液体样品：常规测试项目样品起伏一般不超过5μm，特殊测试项目样品起伏一般不超过1μm，液体1 mL左右，保证样品均匀分散，要求无沉积，溶液澄清透明，液体样品的浓度不能太高，否则粒子团聚会损伤针尖，纳米粉末分散到溶剂中，越稀越好。粉末提供10 mg左右，请务必备注好制样条件，包括分散液，超声时间及配制浓度。
3. 薄膜或块状样品尺寸要求：尺寸小于1×1 cm ，厚度0.5 cm以内，表面平整，高低起伏小于1μm。如果样品表面粗糙度过大，会损坏探针的样品，无法测试。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！
4. 测试PFM、KPFM、C-AFM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的样品需要导电或至少为半导体。
5. PFM，KPFM测试需要样品表面十分平整，样品粗糙度最好在10-200 nm之间，粉末样品测试很难测到较好结果，下单前请确保风险可接受。
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# 制样与测试流程
5.1有衬底样品
例如固体块体类，薄膜类样品，可以直接将样品粘在样品台上测试，标记好测试面。一般尺寸小于1×1 cm，厚度0.5 cm以内，表面平整，高低起伏小于1μm。测试前样品需要进行表面清洁或抛光，用氮气吹扫或者酒精清洗，打开真空吸附固定样品。如需测电学性质，需要增加导电的可以在表面镀金、铂等金属。
5.2无衬底样品
固体粉末类，细胞等生物类样品，液体类样品等通常以液体形式进行制样，都是先将样品分散成溶液（一般分散剂为水、无水乙醇或丙酮等），然后将溶液滴至干净的硅片或云母片上，静置，加热或者自然晾干，用N2吹干表面后进行测试。
特殊样品如DNA分子，为了增强样品和基底的相互作用力，可以在样品中加入一些阳离子如Mg2+，Zn2+等。
细胞类样品，可以直接液相测试，可以用琼脂固定法或者对基地进行聚赖氨酸修饰增强样品和基底的静电相互作用固定细胞。
如需测电学性质，需增加导电，将样品滴在导电胶上。
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# 应用实例
6.1常规测试——样品形貌、粗糙度、厚度测量
常规测试的可应用在各种领域样品测试，包含：压电与铁电体、石墨烯及二维材料、生物分子、隔膜和集合、细胞和组织、生物材料、食品科学、太阳能、光伏和热电、能源储存、半导体及微电子、磁学与数据存储等。
以下列举了4个AFM测试的主要领域。
纳米材料
量子、电子学、纳米机械系统和机械谐振器；电子电路组件：晶体管、场发射器、连接器、超级电容；传感器技术：单分子传感器、电化学传感器、生物传感器、芯片实验室设备；半透膜（生物）分子和离子传输；用于光电、光伏和显示技术的透明电极；能量采集和储存：太阳能电池、燃料电池、电池。
生物医药领域
药物包衣（支架、导管等）、防污染包衣（导管、移植物、生物传感器等）、生物矿化研究等；DNA结构和DNA-蛋白质交互作用、DNA折纸术；膜蛋白结构、蛋白质聚合体/纤维成型；脂质双层/支持的脂质双层；治疗后的活细胞的动态成像、癌细胞中的刚度和粘弹性变化；细胞基质对细胞分化的影响、细胞对机械刺激的反应。
薄膜和涂层
量化三维材料的粗糙度和纹理，并测量纳米级性能，包括电学、磁学和机械性能；为生长过程的开发、优化和监测提供关键的信息，并为实现所需的功能提供合理的设计途径。
食品科学
食品结构和功能；食品生物高聚物的物理-化学特性（蛋白质、碳水化合物聚合物等）；食品纳米技术。
表面平均粗糙度Ra和均方根粗糙度Rq是常用的表征粗糙度的参数，其含义分别是：在所考察区域内相对中央平面测的高度偏差绝对值的算术平均值Ra，Rq是指在取样长度内，轮廓偏离平均线的均方根值，它是对应于Ra的均方根参数、如图6.1。
图6.1 AFM的常规测试结果
6.2开尔文探针显微镜（KPFM）——测表面电势
开尔文探针显微镜的测试结果如6.2所示。开尔文探针显微镜的测试样品包括石墨烯及二维材料；太阳能、光伏和热电；能源储存：超级电容器、锂离子电池、燃料电池、电极纳米结构、电化学、充放电循环的形貌效应。半导体及微电子。
图6.2左：表面在字素上的电位分布；右：集成电路上的表面电势分布[11]
6.3 压电力显微镜（PFM）——材料机电特性的局部表征
在PFM中，导电AFM尖端与所研究的铁电或压电材料的表面接触，并在样品表面和AFM尖端之间施加预设电压，从而在样品内建立外部电场。由于这种铁电或压电材料的电致伸缩或“逆压电”效应，样品将根据电场局部膨胀或收缩。例如，如果被测样品的电域的初始极化垂直于样品表面并平行于所施加的电场，则域将经历垂直扩展。由于AFM尖端与样品表面接触，这种域扩展会使AFM悬臂向上弯曲，并导致与施加电场之前的状态相比偏转增加。相反，如果初始磁畴极化与所施加的电场反平行，则磁畴将收缩，从而导致悬臂偏转减小，如图6.3。在这种情况下，悬臂偏转变化量与样品电域的膨胀或收缩量直接相关，因此与所施加的电场成正比。
图6.3 PFM测试：形貌/静电力显微镜振幅/静电力显微镜相位，域切换，+20V应用到外部方形，-20V应用到内部方形[11]
压电力显微镜应用样品主要包括以下四种。
1. 压电材料：微机电系统(MEMS)、传感器和致动器、能源的储存和采集、射频滤波器和开关、声纳、平衡和频率标准、巨大的k电介质、电容；
2. 铁电材料：畴工程、非易失性存储器、数据存储设备、畴能量学和动力；
3. 基础材料科学：畴、和临界现象、尺寸效应、成核动力学、多铁性材料、铁电聚合物、液晶、复合材料、弛豫铁电体；
4. 生物-电机学：心脏、听觉、细胞信号传导、结构电机学、生物传感器。
6.4力曲线/力曲线阵列成像
力曲线阵列成像技术通过标绘刚度、悬臂嵌入度及附着力等参数，绘制出一幅样品物料性质图。上述参数从力-距离(F-D)分光镜曲线中获取，通过矩阵式定距，可以快速了解样品特性。力曲线/力曲线阵列成像结果如图6.4所示。左图为Lambda-digest DNA成像结果，1 µm扫描，在选定的三个点拍摄力曲线。在每个点上，DNA分子的末端被尖端拾起，分子在B-S转变过程中被拉伸。在随后的图像中，分子不见了。右图为玻璃上聚合物的扫描成像结果。
图6.4左：Lambda-digest DNA成像结果；右：玻璃上聚合物的扫描成像结果[12]
力曲线/力曲线阵列成像可以解开/展开模块化蛋白质；测量/观察能量图景；释放/融化DNA分子（B-S转换）；观察聚合物的构象变化；测量分子间的作用力：配合基-受体对、抗体-抗原结合、蛋白质-矿物；在功能组和表面之间测量特异性；测量附着力；对细胞（固定细胞和活细胞）、聚合物和凝胶进行机械测量。
6.5横向力显微镜（LFM）
横向力显微镜的原理和接触模式很相似。接触模式测悬臂垂直方向偏转来获取样品表面信息，而横向力显微镜（LFM）测悬臂水平方向的挠度。悬臂横向偏转是其在样品表面水平移动时受力的结果，偏转大小取决于摩擦系数、样品表面形貌、悬臂移动方向和横向弹簧常数。LFM 对研究表面由不均匀化合物组成的样品很有用，也能增强样品表面突变斜率边缘或不同化合物边界处的对比度。比如硅上聚合物的横向力显微镜图像如图 6.5。横向力显微镜可以测试微米/纳米电动机械系统（MEMS/NEMS）、磁存储设备、生物材料（整形外科和化妆品等）、耐磨、润滑剂、防腐涂料等样品。
图6.5硅上聚合物的横向力显微镜图像：形貌/从左到右/从右到左[12]
6.6纳米光刻
纳米光刻模式支持通过施加力或电压，在样品表面操作与创建图形。导入自有的矢量图形或光栅（位图）图像，便可轻易通过针尖确定光刻位置。图6.6为纳米光刻技术及成像结果。左图为通过用针尖（a）刨削表面并通过施加的偏压（b）改变表面而在表面上产生的图案。右图为向量纳米光刻通过在-5和-10V之间施加负电压在矢量中产生图像。扫描速率在1和0.1μm/s之间变化。沉积氧化物的高度为约2-4nm。
图6.6纳米光刻技术及Si成像结果[12]
6.7纳米压痕技术
纳米压痕模式向悬臂施加过力，在样品表面形成压痕，测量硬度与弹性等力学性能。图6.7为纳米压痕技术及成像结果。纳米压痕技术通过将压针压入样品，测量局部区域的硬度。其应用包括硬涂层（氮化钛）、微电子（金属键的可靠性）、薄膜技术（粘附失效）和聚合物。
图6.7纳米压痕技术及SiOCH成像结果
7.数据处理
利用nano scope软件处理数据。
打开软件，导入AFM原数据（file-open），点击flatten，点击execute，然后点击roughness，可以得到结果，Ra为均方根粗糙度。点击上方的3D image可以得到三维图。
点击色条，鼠标右键，可以修改色条范围(在有两组数据的时候，统一起来，做对比)。鼠标在图中右键-export -scree display。
对于KPFM的操作也是如此：导入数据，点击选中potential，点击flatten, excute，然后点击section，在图中画出三条线，鼠标右键，export-Xzdata导出数据。注意，再次鼠标右键，点击active curve点击2，然后右键，export-Xzdata，导出第二个数据。依次三个数据导出，在originn里面绘图即可。（CPD）点击粗造度，可以看到Ra值，图片导出方式跟AFM一样。
AFM中的粗糙度越小，代表薄膜表面更光滑，意味着更高的薄膜质量，更好的效率。KPFM所得到的CPD，表面电势与UPS结果一致，若电势增加，则UPS能级测试可以看到，功函数会增加，能级上移。牛津仪器Asylum Research原子力显微镜操作软件包含了丰富的数据处理和分析功能，仅供参考。
8.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。
联系方式：177 3977 9903（微信同）
📫：mon@xueyanhui.com
以上内容，如有误读
和纰漏，敬请指正