AFM原子力显微镜测试
简介
原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）是一种用于研究固体材料表面微观结构的分析仪器，其适用范围广泛，包括绝缘体在内的多种固体材料。
其工作原理是利用一个对微弱力极敏感的微悬臂，其一端固定，另一端带有微小针尖。当针尖与样品表面轻微接触时，针尖原子与样品表面原子之间产生的极微弱排斥力会导致悬臂发生微小偏转。通过检测该偏转量并利用反馈控制系统维持排斥力的恒定，仪器可记录微悬臂在各点的位置变化，从而构建并获得样品表面的高分辨率形貌图像。
AFM 主要提供以下三种成像模式：
1. 接触模式（Contact Mode）：针尖与样品表面距离极小，主要利用原子间的斥力进行成像。该模式可获得高解析度图像，但由于针尖与样品直接接触，容易导致样品变形或针尖受损，因此不适用于表面柔软的材料。
2. 非接触模式（Non-contact Mode）：针尖与样品表面的距离保持在 5-20 nm 之间，利用原子间的吸引力成像。该模式不会损伤样品表面，适用于测试表面柔软的样品，但其分辨率相对较低，且在成像过程中可能出现误判现象。
3. 轻敲模式（Tapping Mode）：探针在 Z 轴方向以固定频率振动，仅在振动到谷底时与样品表面接触。该模式在保证分辨率几乎与接触模式相当的同时，极大地降低了对样品的破坏。
常见问题
AFM 测试规范
一、扫描范围
| 参数 | 建议值 |
|---|---|
| 最大扫描范围 | ≤ 80 μm × 80 μm |
| 常用扫描尺寸 | 10 μm × 10 μm、20 μm × 20 μm、50 μm × 50 μm |
扫描范围越大，分辨率相对越低，扫描时间也越长。小范围适合观察纳米级细节，大范围适合定位或观察整体形貌。
二、数据格式与软件
| 数据格式 | 推荐软件 | 厂商 |
|---|---|---|
.spm | NanoScope Analysis | Bruker |
.mdt | IA (Image Analysis) | NT-MDT |
不同厂商的数据格式通常不互通。如需跨平台分析，建议导出为通用格式（如 .txt、.csv、TIFF 图像）。
三、粉末样品基底选择
| 基底 | 特性 | 适用场景 |
|---|---|---|
| HOPG（高定向石墨） | 导电性好、表面原子级平整、易剥离清洁 | 导电样品、电学测试 |
| MICA（云母） | 绝缘、表面超平整、易解理 | 非导电样品、形貌观察 |
| Si-chip（硅片） | 平整度高、易获取、可定制 | 通用支撑、兼容性强 |
基底选择需综合考虑导电性需求、样品-基底相互作用及后续测试模式。具体选择可参考相关文献或既往测试条件。
四、表面粗糙度要求
| 测试模式 | 最大允许起伏 | 超限风险 |
|---|---|---|
| 常规形貌测试 | ≤ 5 μm | 超出 Z 轴范围、探针跳针、针尖受损、样品污染 |
| 电学/力学测试（KPFM、PFM 等） | ≤ 1 μm | 图像质量下降、探针损耗增加 |
粗糙度过大是 AFM 测试失败的最常见原因之一。测试前建议先用光学显微镜或 SEM 粗筛样品。
五、喷金处理
| 测试模式 | 是否需要喷金 | 说明 |
|---|---|---|
| 常规形貌测试 | ❌ 不需要 | AFM 对样品导电性无要求 |
| KPFM 等电学测试 | ⚠️ 需要导电性，但不建议喷金 | 金颗粒会改变表面形貌，影响电学信号准确性 |
替代方案：使用导电基底（如 HOPG）、导电胶固定，或选择本身导电的样品区域。