说明：本文介绍了原子力显微镜的基本原理、核心特征、三种主要测试模式及其在形貌表征、粗糙度定量分析和膜厚测定中的具体应用方法。
原子力显微镜AFM，是一种基于原子间相互作用力的扫描探针显微镜SPM。
AFM通过将一端固定、另一端带有纳米级针尖的弹性悬臂梁，靠近样品表面，利用针尖与样品表面原子间的微弱作用力，如范德华力、静电力等，驱动悬臂梁发生弯曲或振动，再通过光学检测系统捕捉悬臂梁的位移信号，最终转化为样品表面的三维微观形貌图像，并可进一步定量分析粗糙度、膜厚等参数。
DOI：10.1021/acsbiomaterials.7b00307。
核心特征
测试环境友好：无需高真空、无需样品导电，可在大气、液体、低温等多种环境下测试，适配绝大多数样品，如金属、半导体、聚合物、生物膜等；
分辨率极高：横向分辨率可达0.1~0.5 nm，纵向分辨率可达0.01 nm，远超光学显微镜、普通扫描电子显微镜SEM，能清晰观察纳米级微观结构；
表征功能全面：可同时完成形貌表征、粗糙度定量、膜厚测定，还能实现力-距离曲线测试，分析样品表面力学性能，如硬度、黏附力；
样品损伤小：探针与样品表面仅为微弱原子间作用力，无电子束轰击，对样品表面损伤极小，适合脆弱样品，如生物膜、超薄薄膜测试。
DOI：10.1021/acsestengg.4c00111。
AFM的核心组件包括：纳米级针尖，通常为Si或Si3N4材质，针尖半径5~20 nm、弹性悬臂梁、光学检测系统、扫描控制系统。其测试原理可通俗拆解为4步：
第一步：探针靠近样品，将带有针尖的悬臂梁，缓慢靠近样品表面，直至针尖与样品表面原子间产生微弱的相互作用力，距离通常为0.1~1 nm；
第二步：力信号产生，原子间的作用力，主要是范德华力，分为吸引力和排斥力，会驱动悬臂梁发生微小弯曲，弯曲量通常为纳米级；
第三步：信号捕捉与转化，激光二极管发射的激光，照射在悬臂梁的自由端，悬臂梁弯曲会导致激光反射方向改变，反射光被光电探测器捕捉，将“悬臂梁弯曲信号”转化为“电信号”；
第四步：图像生成，扫描控制系统驱动探针或样品进行二维扫描，逐点捕捉每个位置的电信号，再通过计算机软件，将电信号转化为样品表面的三维形貌图像，同时提取粗糙度、膜厚等定量参数。
DOI：10.1021/nn3040155。
AFM有多种测试模式，其中最常用的3种模式，分别对应形貌、粗糙度、膜厚等不同表征需求：
（1）接触模式：
① 原理：探针与样品表面持续接触，依靠原子间的排斥力驱动悬臂梁弯曲，扫描过程中保持悬臂梁弯曲量不变，恒力模式，记录探针的位移，生成形貌图像；
② 优势：扫描速度快，图像分辨率高，适合测定样品表面粗糙度；
③ 适用场景：硬样品，如金属、半导体、沸石分子筛，不适合脆弱样品，如生物膜、软聚合物，持续接触会损伤样品表面。
DOI：10.1021/cg8004294。
（2）轻敲模式：
① 原理：悬臂梁在压电陶瓷驱动下，以一定频率，通常为100~500 kHz振动，针尖与样品表面周期性接触/轻敲，接触时原子间的排斥力会改变悬臂梁的振动振幅，扫描过程中保持振幅不变，记录探针位移，生成形貌图像；
② 优势：探针与样品表面仅短暂接触，对样品损伤极小，图像信噪比高，是最常用的测试模式；
③ 适用场景：绝大多数样品，尤其是软样品，生物膜、聚合物薄膜、脆弱样品，同时适合形貌、粗糙度表征。
DOI：10.1021/acsnano.5c09221。
（3）非接触模式：
① 原理：探针与样品表面不接触，保持一定距离，通常为1~10 nm，依靠原子间的吸引力/范德华吸引力，改变悬臂梁的振动频率，扫描过程中保持频率不变，记录探针位移；
② 优势：对样品无任何损伤，横向分辨率极高，可达0.1 nm；
③ 适用场景：超高分辨率形貌表征，如原子级表面结构、超薄薄膜的精细形貌，测试要求高，扫描速度慢。
DOI：10.1021/la103489g。
观察样品表面的微观形貌，如颗粒大小、分布、表面起伏、缺陷，孔洞、划痕等，生成三维形貌图，为样品微观结构分析提供直观依据。
实操步骤
1）样品制备：将样品均匀分散或涂覆在基底，如硅片、玻璃片上，确保样品表面平整、无杂质、无明显划痕，干燥至完全无水分，避免水分影响测试信号；
2）仪器校准：开启AFM仪器，校准探针，检查针尖是否完好，无磨损、无污染，校准扫描平台，确保扫描精度，设置测试参数，扫描范围、扫描速度、振动频率；
3）探针定位：将样品放入测试台，调整焦距，使激光精准照射在悬臂梁自由端，确保光电探测器捕捉到清晰的反射光信号；
4）扫描测试：选择轻敲模式，设置恒振幅参数，启动扫描，逐点捕捉信号，生成三维形貌图像；
5）图像优化：扫描完成后，通过软件去除背景噪声、平整图像，得到清晰的形貌图。
DOI：10.1021/ja508879j。
定量描述样品表面的粗糙程度，是评价样品表面平整度的核心参数，广泛应用于材料表面改性、催化活性位点分析等场景，数据可直接用于论文定量分析。
实操步骤
1）完成形貌表征，获取清晰的三维形貌图像；
2）通过AFM软件，选择需要分析的区域，通常选择3~5个不同区域，取平均值，确保数据代表性；
3）软件自动计算粗糙度参数，生成定量数据，保存并记录；
4）重复测试3~5次，计算平均值和标准差，确保数据重复性。
DOI：10.1021/acsnano.8b05056。
定量测定超薄薄膜，厚度通常为nm~μm级的厚度，适用于聚合物薄膜、金属薄膜、生物膜等样品，是薄膜材料研究的核心定量参数。
实操步骤
1）样品制备：在基底上制备薄膜，通过刻蚀、刮擦等方法，在薄膜表面制作一个“台阶”，台阶一侧为薄膜，一侧为裸露基底；
2）AFM测试：采用轻敲模式，扫描台阶区域，获取台阶的三维形貌图像；
3）厚度计算：通过软件测量台阶的高度差，该高度差即为薄膜的厚度，测量3~5个不同台阶位置，取平均值。
DOI：10.1021/acsaelm.4c00844。
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