原子力显微镜AFM技术解读！

本文旨在深入介绍AFM的基本原理、操作模式、数据分析方法以及在不同领域的应用。

AFM是一种高分辨率的扫描探针显微镜技术，原理是通过检测探针与样品表面原子间的力的相互作用来获取样品的表面形貌、物理和化学性质。

具体而言，AFM利用一个微悬臂末端的针尖来扫描样品表面，当针尖接近样品表面时，会施加不同类型的力，如范德华力、毛细力和粘附力以及双层力。作用在针尖上的力随着表面高度的变化而变化，从而导致微悬臂的弯曲或偏转。

根据胡克定律，弯曲与作用在针尖上的力成正比。再通过激光反射系统或光学干涉技术检测微悬臂的形变程度，并将其转换为电信号。计算机根据这些信号生成高分辨率的表面形貌图像，从而提供样品表面的纳米级细节。 

AFM主要由四部分组成：探针、悬臂梁偏转检测器、扫描器和反馈电子设备。

探针：探针由两部分组成，即悬臂梁和原子级尖锐的尖端。悬臂梁提供了一个支撑点，探针尖端附着其上。悬臂梁的弹簧常数可以比样品材料的原子键弱，这样探针就能轻轻地追踪而不损坏样品表面，通常商业上制造的悬臂梁是由硅或氮化硅制成的。

悬臂梁和尖端可以由几种不同的材料制成，具有不同的悬臂尺寸、尖端形状和弹簧常数，这取决于所需的材料属性或待检样品的完整性。

悬臂梁偏转检测器：AFM系统通过将激光束从微悬臂的背面反射到四象限激光二极管探测器上来测量微悬臂的偏转量。当探针在样品上扫描时，光电探测器能够测量激光偏转的微小变化。激光从微悬臂反射到光电探测器上，能够精确地测量微悬臂的偏转，从而实现埃级别的分辨率。

扫描器：扫描器是由压电驱动器组成，压电驱动器可以精确控制探针尖在样品表面的X、Y和Z方向上移动。虽然压电材料会表现出一些非线性和滞后现象，但这些效应可以通过电子设备和扫描装置的校准来补偿。

反馈电子设备：用于维持探针与样品之间的恒定距离或恒定力，它根据光电探测器检测到的偏转信号，调整压电驱动器来移动探针。 

AFM的三种主要操作模式分别是接触模式（Contact Mode）、非接触模式（Non-contact Mode）和敲击模式（Tapping Mode）。这三种模式各有特点，适用于不同类型的样品和测量需求。

下表是对三种基本模式的概括： 

在这三种基本操作基础上，为了应对不同的测试需求，AFM搭载不同模块衍生出了多种成像模式，每种模式都有其独特的特点和应用场景。如开尔文探针力显微镜（KPFM）、压电力显微镜（PFM）、静电力显微镜（EFM）、磁力显微镜（MFM）、导电原子力显微镜表征（CAFM）、扫描电容显微镜（SCM）、力曲线、QNM模量。

EFM：静电力显微镜模式下，探针会被赋予一个电荷，当它与带电样品接触时，可以通过检测探针尖端与样品表面之间的静电力来可视化纳米尺度表面的电性质，包括局部电荷和接触电位差等。该方法作为一种非破坏性、高分辨率的测量工具已被广泛应用于研究表面和/或界面处的局域电子态和陷阱电荷。 

随着需求的增长和技术的进步，目前已经衍生出双频EFM和动态接触EFM（DC-EFM）等模式。

PFM：PFM模式基于压电效应，即当对压电材料施加电场时，材料会产生机械变形，反之亦然。在PFM中，通过在样品上施加交流电场，激发样品表面的机械振动，然后利用AFM的悬臂梁检测这些振动的幅度和相位。通过分析振动信号，可以获得样品的压电响应、极化状态、铁电畴结构等信息。 

该模式主要应用在铁电畴成像、极化控制、纳米尺度研究等领域。随着随着技术的发展，PFM衍生出了一些高级模式，如计量学PFM（M-PFM）和带激励PFM（BE-PFM）。

KPFM：KFM能够高分辨率地测量样品表面的接触电势差（Contact Potential Difference, CPD），从而间接反映样品表面的电势分布。其核心原理是利用AFM探针与样品表面之间的静电力，通过调制探针的振动来检测电势差。 

KPFM通过施加交流电压（V_AC）和直流电压（V_DC）来实现测量。交流电压用于激发探针振动，而直流电压用于抵消探针与样品之间的电势差，从而实现对接触电势差的测量。

MFM：该模式基于AFM的基本原理，通过检测探针与样品之间的磁力来成像样品的磁性结构。MFM通常使用磁性探针，这些探针在接近磁性样品时会受到磁力的作用，导致探针的悬臂发生形变。通过检测这种形变，可以获取样品表面的磁性分布。 

CAFM：通过检测探针与样品之间的电流来研究样品的电学性质。CAFM通常使用导电探针，这些探针在接近或接触样品时会形成电流路径，通过检测电流的变化来获取样品的电学性质。 

SCM：通过检测探针与样品之间的电容变化来研究样品的电学性质。SCM通常使用导电探针，这些探针在接近或接触样品时会形成电容路径，通过检测电容的变化来获取样品的电学性质。 

QNM模量–力曲线：通过分析探针与样品之间的力-距离曲线来定量测量样品的力学性质。与传统的AFM成像模式相比，力曲线模式提供了更精确的力学性质测量，而不仅仅是表面形貌信息。 

案例一：通过EFM模式研究研究聚合物纳米复合材料中界面区域的介电性质

https://doi.org/10.1021/acsaelm.2c01331 

图（a-e）展示了在多个不同的施加直流电压（包括 -6V、-3V、0V、3V 等）下，纳米颗粒界面区域的EFM相位偏移图像，以及通过这些图像提取的电容贡献（α）图像。 

相位偏移图像（a-e）反映了探针与样品之间电静力的强度变化。不同的电压下，相位偏移的变化可以用来提取电容贡献。f-j是经过漂移校正后的相位偏移图像，确保了纳米颗粒中心的对齐。

通过校正，可以更准确地分析纳米颗粒中心的电静力变化。α图像（k）显示了从相位偏移信号中提取的电容贡献。α值越高，表示电容贡献越大。相关系数图像（l）显示了拟合的准确性，确保从EFM测量中提取的电容贡献是可靠的。

结论：通过EFM实现了从相位偏移图像到电容贡献的提取，为后续的机器学习分析提供了基础数据。

案例二：通过PFM观察BWO薄膜的铁电特性

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01426 

（a-b）为350 nm厚BWO薄膜的垂直和横向PFM图像，(c-d)为350 nm厚BWO薄膜在施加电压后的垂直和横向PFM图像。(e-f)为1 UC厚BWO薄膜的垂直和横向PFM图像，(g-h)则是1 UC厚BWO薄膜在施加电压后的垂直和横向PFM图像。

a图显示了BWO薄膜的面外极化情况。结果显示面外极化较弱，表明极化主要在面内方向；b图显示了面内极化情况，呈现出典型的四色极化域，表明存在四种优先的极化方向。由c图可知，施加18 V和-18 V电压后，面外极化变化不明显，表明面外极化在切换过程中保持稳定。d图说明在施加电压后，面内极化域发生了明显的切换，表明面内极化可以通过外部电场进行调控。

案例三：通过PFM确认MAPbI₃薄膜中是否存在铁电性

https://doi.org/10.1002/adfm.201701924

除了PFM图像外，还可以通过施加带激励（BE）波形的三角形直流波形来观察PFM磁滞回线，以确认制备的MAPbI₃薄膜中是否存在铁电性。在无光照条件下（下图b蓝色部分），振幅滞后环呈现出铁电滞后环的特征（类似蝴蝶形状），表明钙钛矿薄膜具有铁电性质。

在光照条件下（下图b红色部分），正电压下的振幅信号显著降低，表明光伏（PV）效应影响了PFM滞后响应。这种现象可能源于光生负电荷（电子）移动到样品表面，屏蔽了原本不完全屏蔽的正极化电荷（向上极化），导致MAPbI₃薄膜表面电位降低。同时测量的I-V曲线（图c）也支持了这一推断，因为光照下的PV效应清晰可见。 

结论：通过PFM技术，不仅观察到了BWO薄膜的面内铁电极化特性，还成功实现了极化方向的切换。并且可以通过PFM振幅滞后环和I-V曲线的测量，揭示了MAPbI₃钙钛矿薄膜中可能存在的铁电性质以及I-V滞后现象的复杂性。这一发现为未来低能耗、非易失性铁电存储器的设计提供了重要的实验依据。

案例四：通过KPFM测量MoS₂在光照条件下表面电势的变化

https://doi.org/10.1021/acsami.2c06315 

该图展示了单层二硫化钼（MoS₂）薄片在不同光照强度下的表面电势变化，（a-d）为不同光照强度下的表面电势图像；e图为不同光照强度下的表面电势线轮廓；f图为不同光照强度下MoS₂薄片表面电势的分布。

可以看出，随着光照强度的增加，MoS₂薄片的表面电势逐渐降低，这表明光生载流子的产生和重新分布导致了表面电势的变化。在低光照强度（0.2 mW/cm²）下，表面电势的变化主要集中在MoS₂薄片的边缘区域，这可能是由于边缘处的缺陷密度较高，导致光生载流子更容易在这些区域积累。

随着光照强度的增加，表面电势的变化逐渐均匀化，表明更多的光生载流子参与了重新分布。在低光照强度下，边缘区域的表面电势变化更为显著，而在高光照强度下，整个薄片的表面电势变化趋于均匀。这进一步证实了光生载流子在不同光照强度下的分布和迁移行为。

结论：通过KPFM测量，研究者揭示了MoS₂光探测器中光响应机制的主要过程，即光生空穴在MoS₂与基底界面处的捕获。这些发现对于理解和优化基于MoS₂的光电器件的性能具有重要意义。

随着技术的不断进步，AFM的性能和应用范围将进一步拓展。例如，新型探针技术的开发将提高AFM的分辨率和检测灵敏度；多模态成像技术的结合将使AFM能够同时获取多种物理性质信息；自动化和智能化操作将提高AFM的使用效率。

未来，AFM有望在纳米科学、生物医学、能源材料等领域发挥更大的作用，为人类探索微观世界提供更强大的工具。