AFM（原子力显微镜） 应用之特殊模式应用简介

1 力曲线

在基底上Ramp，设置参数得到力曲线，曲线横坐标是探针和样本之间的相对距离变化，纵坐标是探针与样品之间的作用力，蓝线是探针压入样品曲线(approach)，红线是离开样品的曲线（retrace）。纵坐标线显示的就是两个原子之间（探针与样品之间）的作用力随着距离变化的一个情况，它有两个分量，一个是正值的分量，一个是负值的分量，正值代表斥力，负值代表吸引力。

通过力曲线分析可以获得：

峰值力（探针样品最大作用力）：peak force；

吸附力（探针样品最小作用力）：adhesion；

杨氏模量：YM；

探针样品形变量：deformation；

能量耗散（often-work of adhesion）：dissipation；

弹性模量：在曲线上当探针接触样品产生斥力时，探针下降的距离与力的关系成线性，利用这段规律可以模拟计算出样品表面的弹性模量；

黏附力：在探针离开样品过程中，发生黏附力的牵扯，利用曲线最低点可以得到样品表面黏附力的大小；

粘附功：曲线重叠区域的积分，用积分算粘附力做的功。

力曲线分析

2 静电力显微镜（Electric force microscopy,EFM）   

基于Tapping Mode 模式发展而来，利用导电的探针与样品的静电相互作用来探测样品表面的静电力梯度，表征样品表面的静电势能，电荷分布及电荷运输等。

测试时，探针对每一行进行2次扫描。第一次，轻敲模式得到样品表面的起伏，探测样品的形貌。第二次探针抬起100-200nm，按照样品表面起伏的轨迹，探针不接触样品表面，不受探针与表面之间短程的斥力影响，也不受表面形貌的影响，主要受到探针和样品表面之间静电的作用，引起振幅和相位的变化，记录第二次扫描的相位和振幅的变化，得到表面的静电力梯度，通过二次成像的模式进行测试。

样品形貌和静电力梯度图

3 开尔文探针力显微镜（Kelvin ProbeForceMicroscopy, KPFM）

开尔文探针力显微镜在获得样品表面形貌的基础上可同时得到表面功函数或表面势。开尔文探针力显微镜和静电力显微镜的主要差异在于开尔文探针力显微镜在探针或样品上施加补偿电压，通过专用反馈控制电路实时调整该补偿电压使得探针和样品之间的静电力为零，从而定量测得样品表面的局域电势。

样品的主形貌和对应电势分布图

4 磁力显微镜（Magnetic Force Microscopy, MFM）

基于Tapping Mode模式发展而来，原理与静电力显微镜相似，利用磁性探针检测磁性材料表面的磁作用力，获得表面磁力分布，磁畴结构等信息，用于半导体，磁性纳米颗粒等具有磁学性能的材料研究，也是二次成像模式。

样品的主形貌和磁力梯度图

5 压电响应显微镜（PFM）

用于纳米尺度上研究压电材料、铁电材料、以及多铁材料的表面电势及压电响应的测量，主要检测样品的在外加激励电压下的电致形变量。通过向铁电样品施加交流电压，在表面上会产生与交流频率相同频率的微小振动，作为对铁电体压电特性的响应，因此，该振动被测量为AFM 悬臂梁挠度的变化。使用锁定放大器，与施加的电压的相位同步地检测来自悬臂振动的信号，并从相位信息获得有关铁电样品极化方向的信息，下图展示的是PZT薄膜的电滞回线。

PFM测试的PZT薄膜的电滞回线

6 导电原子力显微镜

接触模式导电原子力显微镜

接触模式下，给导电探针和样品间施加直流电压，测量电流。利用导电力显微镜同时得到扫描区域的高度形貌图及电流分布图像, 更可进一步的于特定的点上取得IV 曲线。

接触模式测试的电流分布和IV曲线

Peakforce Tuna 模式导电原子力显微镜

这是 Bruker 公司推出的最新一代导电原子力显微镜测量模式。在普通的导电原子力显微镜测量时，均采用的是接触模式，导电探针的导电层磨损非常快，从而导致结果不理想，重复性比较差，并且对于软的样品，附着力不强的样品，和垂直放置的柱状样品无法进行测量。而Peakforce Tuna由于采用了最新的Peakforce Tapping模式来进行导电性能测试，从而克服了接触模式带来的问题，可对非常软的样品，附着力差的样品和垂直放置的柱状样品进行高分辨率电流成像。

Peakforce Tuna模式测试的电流分布图

7 杨氏模量/模量分布

一般地讲，对弹性体施加一个外界作用力，弹性体会发生形状的改变 (称为"形变")，"弹性模量"的一般定义是:单向应力状态下应力除以该方向的应变。

杨氏模量就是从力曲线里拟合得到的，由于杨氏模量拟合时需要探针的实际曲率半径，所以需要特定的模块或者特定的探针来得到这个值，对于布鲁克仪器来说，一般买设备的时候可以配一个QNM的模块，专门测试模量，弹性模量是测试多个点的力曲线后然后拟合得到的图，可以反应样品中模量的分布。

样品的模量分布

AFM小知识

1.样品导电性不好，需要喷金吗？
答：AFM对样品表面的导电性没有要求，可以测导电的和不导电的。

2. AFM可以分析材料的亲疏水性吗？如何判断？
答：可以分析，需要用液下模式。

3.AFM和MFM都可以出形貌图，这两种有什么区别？以哪个为准？
答：AFM出的图是形貌图，MFM出的图是抬起模式相图也就是磁畴分布图，在分析相图时需要对比形貌图，分析两者之间的差异从而得到磁分布的信息。

4.测量样品起伏度有极限值吗？
答：有极限值，最好1微米之内，5微米以内根据样品性质用轻敲模式扫描时降低扫描1速度可以实现，大于5微米的样品不建议使用AFM进行测试。

5. 样品尺寸较大，微米级的可以测吗？检测有必要吗？
答：样品尺寸横向大小微米级的可以使用AFM测试，根据你想得到的材料信息来判断有没有检测的必要，如果微米级起伏根据第4条回答来判断。

6.AFM力曲线中位移-力曲线和距离-力曲线如何转化？转化过程中需要注意哪些细节？
答：F-Z转换成F-D曲线可以在分析软件中修改，将display mode改为Force vs sep就可以直接转换。

7.样品是粉末，疏松度十分疏松，测量时，会不会因为粉末疏松，测不了啊？
答：一般粉末样品需要分散到硅片或云母表面测试。

8.测量时，探针会不会将表面形貌破坏啊？
答：样品较软时采用峰值力轻敲模式扫描，将力设置小一些就不会对表面形貌造成破坏。

9.磁学MFM测量探针的镀层是Co的话，Co易氧化，如何保存？
答：一般是Co-Cr的镀层，不会被氧化，没有特殊保存要求。

10.AFM扫描过程中，力曲线反应的是什么物理图像？
答：力曲线反应的是样品与探针之间的作用力。

11.MESP针最大磁场可以加到多大？
答：MESP的探针矫顽力在400Oe，测试的样品磁性较强时建议使用高矫顽力的探针或者低磁矩探针。

12.有镀层的针会不会更粗一些？
答：不会，一般探针针尖在2nm，镀层可以镀的厚度很薄，可以忽略。

13.AFM图上出现波纹状结构是什么原因呢？
答：AFM图上出现波纹考虑是激光干涉或机械振动，可以根据条纹的数量确定是高频还是低频噪声，激光干涉的话需要重新调节激光的位置，机械振动的话检查气浮台和真空吸附开关有没有打开。

14.电化学原子力显微镜是哪种？
答：将接触式的原子力显微镜用于电解质溶液研究电极的表面形貌，其力的作用原理与大气中的AFM相同。

温馨提示

1、不定期推出各种优惠活动，详情咨询客服。

2、测试前联系在线客服确认测试条件、检测费用、检测周期等。

检测咨询热线：15071040697   黄工QQ：82187958

公司网站：www.sousepad.com

武汉铄思百检测技术有限公司

免责声明：部分文章整合自网络，因内容庞杂无法联系到全部作者，如有侵权，请联系删除，我们会在第一时间予以答复，万分感谢。