说明：本文华算科技主要讲解原子力显微镜（AFM），理清其作为高分辨率扫描探针显微镜的定义、主要结构（探针与悬臂等四部分）及接触、非接触、敲击三种核心成像模式，包含其在多领域的应用，可让读者掌握AFM的工作机制与应用价值。
原子力显微镜是一种高分辨率的扫描探针显微镜。其核心功能是通过一个极其尖锐的探针（探针尖端的曲率半径可达纳米级）来“触摸”或“感知”样品表面。
与光学显微镜依赖光波、电子显微镜依赖电子束不同，AFM依赖的是探针尖端的原子与样品表面原子之间极其微弱的相互作用力（如范德华力、静电力、磁力、毛细力等）来获取信息。
图1. AFM示意图。DOI: 10.1016/j.micron.2023.103460
通过精确控制探针在样品表面的逐点扫描，AFM不仅能够以纳米甚至原子级别的分辨率生成样品表面的三维形貌图像，还能同步测量和表征样品的多种物理化学性质，如硬度、弹性、摩擦力、粘附力、电学、磁学及热学特性等。
这种多功能性使其适用于从硬质材料到柔软生物样本的各种研究对象，并且可以在大气、液体、真空等多种环境下工作。
原子力显微镜主要结构
AFM没有任何测量透镜，其主要结构由以下几个关键部分组成：
（1）探针与悬臂
探针尖端和悬臂构成仪器的核心部件，决定了是否可以获得样品的高质量AFM图像。一个极细的探针被集成在一个微小的、具有弹性的悬臂梁末端。悬臂的材料、形状和弹性系数根据不同的应用需求而设计。当探针接近或接触样品表面时，原子间的作用力会使悬臂发生微小的弯曲或振动状态的改变。
图2.（a）力–距离曲线：针尖与样品表面之间的相互作用力随距离的变化关系。（b）针尖上的排斥力与吸引力：三个不同区域内作用于AFM针尖的力。DOI: 10.1088/1361-6404/aa5cd6
（2）光学检测系统
为了探测悬臂的微小形变，系统通常采用放大技术。一束激光精确地聚焦在悬臂的背面，然后反射到一个位置敏感的光电探测器上。悬臂的任何微小偏转都会导致反射光斑在探测器上的位置发生变化，从而将悬臂的机械运动转化为电信号。
（3）压电陶瓷扫描器
这是实现纳米级精确位移的执行器。PZT是一种特殊的陶瓷材料，在施加电压时会发生精确的形变。AFM使用三轴（X-Y-Z）PZT来驱动样品或探针在三维空间中进行高精度的扫描运动和高度调节。
（4）反馈控制系统
系统将光电探测器检测到的悬臂偏转信号与一个预设的参考值（设定点）进行比较。当两者存在偏差时，反馈回路会迅速计算并输出一个校正电压给Z轴压电陶瓷，调整探针与样品之间的距离，以使悬臂的偏转（或振幅）恢复到设定值。
图3. 原子力显微镜（AFM）的装置示意图。DOI: 10.1080109506608.2016.1156301
成像模式
为适应不同样品特性和研究需求，AFM发展出了多种工作模式。最核心的三种模式是接触模式、敲击模式和非接触模式。
（1）接触模式
接触模式是原子力显微镜最原始的成像方式，采用最简单的反馈控制系统。该模式下，扫描过程中探针尖端始终与样品表面保持连续接触。系统通过监测悬臂梁的偏转角度，实时升降探针，使偏转量维持在预设值，从而控制尖端对样品的垂直作用力。
为尽量减小垂直方向的相互作用力，接触模式通常选用氮化硅制成的探针，其悬臂弹簧常数极低，以降低尖端对样品表面造成形变或损伤的风险。
然而，由于扫描全程存在持续的接触，横向（侧向）相互作用力往往较大，可能导致结合松散或脆弱的样品在成像过程中被扫走。
图4. 接触模式成像。（a）接触模式下，AFM探针始终与样品表面保持接触。
（b）接触模式获得的图像：高度、偏转、Z传感器和横向力图像。DOI: 10.1088/1361-6404/aa5cd6
（2）非接触模式
探针尖端不直接接触样品表面，而是通过探针尖端与样品表面之间的毛细管压力或范德华力的相互作用生成样品的表面形态图像。
悬臂由于样品表面和探头尖端之间的相互作用而弯曲，并且由于施加的应力而偏转，从而生成样品表面的图像作为反馈回路。非接触模式对样品施加的横向及法向力最小，特别适合对最高灵敏度、最脆弱样品的观测需求。
图5. 非接触模式。（a）悬臂在其共振频率附近进行振荡。（b）当样品表面相对针尖靠近时，由于针尖与样品之间的相互作用力，悬臂的振荡振幅减小，振荡频率也随之改变。DOI: 10.1088/1361-6404/aa5cd6
（3）敲击模式
在此模式下，悬臂在其共振频率附近被驱动进行高频振荡。探针在振荡的最低点会间歇性地、轻柔地“敲击”样品表面。反馈系统通过监测并维持悬臂振动的振幅恒定来追踪表面形貌。
该模式极大地减少了作用在样品上的横向力，有效避免了对样品的损伤，因此特别适用于成像柔软、粘性或脆弱的样品，如生物大分子、细胞等。但是，相较于接触模式，扫描速度通常较慢。
图6. 典型敲击模式原子力显微镜（AFM）的仪器示意图。DOI: 10.1109/MCS.2013.2279471
原子力显微镜（AFM）广泛应用于材料科学（表面形貌、粗糙度、力学等表征），纳米技术与纳米加工，半导体与电子器件缺陷检测，聚合物与复合材料结构研究，生物医学领域的细胞、蛋白质等分子成像与力学测量，电化学过程如电沉积、腐蚀及锂电池界面观察等。
AFM能够以纳米甚至原子级的分辨率，在空气、液体等多种环境下对材料表面进行成像。这使其能够直接观察和量化材料的表面细节，例如薄膜的厚度、颗粒大小、晶粒尺寸、微观结构以及表面粗糙度等关键参数。
如图7所示，研究人员利用原位低温AFM和摩擦力显微镜研究了被单层MoS₂包裹的水与二维冰的摩擦学特性。其中，下方的二维冰层可使MoS₂表面摩擦力降低30%，这与通常使摩擦力增加200%–400%的二维水层插层效应相反。
二维冰对二维范德华材料润滑性能的增强，以及通过压力将液态水转化为超薄二维冰的技术，为开发固态润滑剂并通过温度、湿度和压缩调控其润滑性开辟了新路径。
图7. 由单层MoS₂限域的可移除二维冰层。（a）示意图：MoS₂下方滑移的二维冰层被AFM探针推开。（b）利用AFM非接触模式测得的MoS₂下二维冰层形貌图。（c）对应（b）中蓝色虚线区域的放大三维形貌图。（d）低温下用接触模式将二维冰层推开后，干净MoS₂的形貌图。DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04573
电化学AFM能够在腐蚀发生的初始阶段，以纳米级分辨率实时观察金属或导电涂层表面微观形貌的变化，例如点蚀的形成、晶间腐蚀的扩展等，为开发先进的防腐蚀策略提供微观见解。
如图8所示，研究人员在0.005M NaCl溶液中对纯锌（Z）和Zn-Al-Mg（ZM）镀锌层模型进行了初期局部腐蚀行为研究。展示了Z样品在极化前及极化过程的表面形貌变化，黑线轮廓始终标记同一位置。
图中箭头指示扫描过程中（自下而上）开始施加极化的时刻。AFM图像显示，Z表面立即出现局部点蚀。随着浸泡时间延长，这些局部蚀坑逐渐向锌层深处扩展。
图8. 抛光后的Z镀锌层在0.005M NaCl中的AFM形貌图：（a）浸泡前。（b）浸泡3min。（c）22min。（d）35min。（e）沿黑色线所示位置的形貌演变。（f）钢的阴极极化曲线以及Z与ZM样品的阳极极化曲线。DOI: 10.1016/j.electacta.2016.06.045
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