原子力显微镜AFM

如果说电子显微镜是用电子束“看”世界，那么原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）就是用“触觉”感知微观世界。AFM利用一个极其灵敏的微型探针，“触摸”样品表面，感受原子间的细微作用力，从而描绘出样品表面的三维形貌，甚至可以“摸”到单个原子。

技术介绍

AFM是一种扫描探针显微镜（SPM），其核心部件是一个对表面作用力非常敏感的微悬臂（cantilever），微悬臂的一端固定，另一端连接着一个纳米级尖锐的探针（tip）。

当探针靠近样品表面时，探针尖端的原子与样品表面的原子之间会产生相互作用力，包括范德华力、静电力、毛细力等。这些力会导致微悬臂发生弯曲或振动。AFM利用光学检测系统（通常是激光反射法）精确地测量微悬臂的形变。

在扫描过程中，反馈系统会根据微悬臂的形变，通过调节探针与样品之间的距离（Z方向），来保持探针与样品之间作用力或振幅的恒定。计算机记录探针在样品表面扫描的轨迹（X-Y方向）和微悬臂的形变（Z方向），最终重构出样品表面的三维形貌。

AFM有多种工作模式，最常用的包括：

• 接触模式（Contact Mode）：探针与样品表面直接“接触”，通过检测微悬臂的静态弯曲来成像。这种模式适用于较硬的样品，分辨率较高，但容易损伤样品或探针。
• 非接触模式（Non-contact Mode）：探针不与样品表面接触，在样品上方一定距离（几纳米）处以固定频率振动。通过检测微悬臂振动频率或振幅的变化来成像。这种模式适用于较软或易损伤的样品，但分辨率较低。
• 轻敲模式（Tapping Mode）：探针以接近其共振频率的频率振动，间歇性地轻敲样品表面。通过检测微悬臂振幅或相位的变化来成像。这种模式结合了接触模式和非接触模式的优点，适用于各种类型的样品，是AFM最常用的模式。

除了形貌成像，AFM还可以进行多种力学、电学、磁学等性质的测量，例如：

• 力曲线测量：测量探针与样品之间的作用力随距离的变化，可以获得样品的粘附力、杨氏模量等力学性质。
• 静电力显微镜（EFM）：测量样品表面的电势分布。
• 磁力显微镜（MFM）：测量样品表面的磁场分布。
• 扫描开尔文探针显微镜（SKPM）：测量样品表面的功函数或表面电势。

应用领域

1. 材料科学：
   • 表面形貌观察：观察各种材料（金属、陶瓷、高分子、半导体等）表面的形貌、粗糙度、缺陷等。
   • 薄膜和涂层表征: 测量厚度、粗糙度、观察表面形貌。
   • 摩擦磨损研究: 观察摩擦表面形貌, 研究磨损机理.
2. 纳米科技：
   • 纳米材料表征：观察纳米颗粒、纳米线、纳米管等纳米材料的形貌、尺寸和分布。
   • 纳米加工和操纵：利用AFM探针对纳米材料进行加工、操纵和定位。
3. 生物学：
   • 生物大分子成像：观察DNA、蛋白质、多糖等生物大分子的形貌和结构。
   • 细胞成像：观察细胞的形貌、研究细胞的力学性质。
   • 生物力学研究: 测量生物分子间的作用力, 细胞的弹性模量等.
4. 半导体工业：
   • 表面粗糙度测量：测量硅片、金属薄膜等表面的粗糙度。
   • 缺陷检测：检测半导体器件表面的缺陷。
   • 光刻胶图形测量: 测量光刻胶的线宽, 高度等.
5. 其他领域:
   • 聚合物, 催化剂, 数据存储等.

样品要求

1. 尺寸：AFM的扫描范围有限，通常在几微米到几百微米之间。样品尺寸通常在几毫米到几厘米之间，厚度不宜过大。
2. 平整度：样品表面要相对平整。表面粗糙度过大会影响成像质量，甚至损坏探针。
3. 固定：样品需要牢固地固定在样品台上，以防止扫描过程中发生移动。
4. 清洁度: 样品表面要清洁, 无污染物.

原子力显微镜（AFM）测试的常见问题及解决方案

1. 探针污染： 探针尖端容易被样品表面污染物吸附，导致成像分辨率下降，甚至出现伪像。
   • 解决方案：
     • 使用清洁的样品和探针。
     • 在清洁的环境下进行测试。
     • 定期更换探针。
     • 使用等离子体清洗探针。
2. 热漂移： 温度变化会导致样品、探针和扫描器发生膨胀或收缩，引起图像漂移。
   • 解决方案：
     • 保持测试环境温度恒定。
     • 使用具有温度补偿功能的AFM。
     • 等待仪器热平衡后再进行测试。
3. 振动： 环境振动会影响AFM的成像质量，特别是高分辨率成像。
   • 解决方案：
     • 将AFM放置在隔振平台上。
     • 在安静的环境下进行测试。
4. 样品表面吸附层： 样品表面吸附的水或其他物质会影响成像, 特别是在非接触模式和轻敲模式下.
   • 解决方案:
     • 在真空或干燥环境下测试.
     • 加热样品去除吸附层.
     • 选择合适的成像模式.