原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是一种具有原子级别高分辨率的新型表面分析仪器，它不但能像扫描隧道显微镜（STM）那样观察导体和半导体材料的表面现象，而且能用来观察诸如玻璃、陶瓷等非导体表面的微观结构，还可以在气体、水和油中无损伤地直接观察物体。AFM是基于针尖与样品之间原子作用力的探测，不要求样品具有导电性，因而可以用于研究金属、半导体、绝缘体等多种材料，大大弥补了STM无法研究非导电材料的局限。大大地拓展了显微技术在生命科学、物理、化学、材料科学和表面科学等领域中的应用，具有广阔的应用前景。
此外，AFM不仅可以测量样品的2D形貌，还可以得到3D形貌。
一、AFM原子力显微镜测试模式有哪些？
表面形貌测试：可得到样品表面形貌（2D、3D）以及粗糙度和高度分布图;
导电性能测试(C-AFM)：同时得到形貌和电流分布图；也可以进行选区I-V曲线测试;
表面电势测试(AFM-SKPFM): 表面电荷的半定性表征，能直接测量探针和样品之间的电势差;
磁学性能测试(AFM-MFM)：微区磁畴的分布表征;
纳米力学测试(AFM-QNM)：力学图谱测量，可通过拟合力学曲线得到样品的杨氏模量，得到微区的杨氏模量分布，适用于较软样品高级纳米力学成像模式，可对有机物，高分子以及金属材料进行扫描，同时得到形貌和模量分布;
压电力测量(AFM-PFM)：薄膜，陶瓷，晶体，纤维材料的表面铁电畴表征，极化反转和蝴蝶曲线测试，畴操纵;
二、AFM原子力显微镜测试功能详细介绍
（1）表面形貌和粗糙度
通过探针与样品间的作用力来表征材料表面的形貌，这是AFM 最基础的功能。分析形貌图可以得到材料表面的粗糙度、颗粒度、平均梯度、孔结构、孔径分布以及纳米颗粒尺寸等信息。
（2）高度和厚度
SEM测量沟槽或台阶的深度、高度或宽度时，需要将材料切出来一个截面方可测量，而AFM 进行此项测量时是无损的，其在垂直方向的分辨率约为0.01nm，也可以很好的用于表征纳米片的厚度。
（3）相图（Phase）
相图是AFM轻敲模式下的一种重要扩展技术，因表面抵挡及黏滞力的作用，会引起振动探针的相位改变量，而抵挡及黏滞力的差异由不同材料性质引起，因此相位差可以用于观察表面定性材质分布状况。
（4）KPFM（Kelvin Probe Force Microscopy，开尔文探针力显微镜）
图4 Mg-Ca铸造合金的KPFM
（5）PFM（Piezoresponse Force Microscope，压电力显微镜）
PFM是在接触模式下用于表征压电、铁电等材料压电响应情况的测试手段，不仅可以进行表面成像，而且可以同时得到对应区域纳米尺度的电畴信息，并且可以通过探针对样品施加外力和电场使得电畴的方向发生变化（极化翻转）。研究电畴极化翻转有利于研究铁电材料的电畴成核、相结构稳定性、畴壁运动，研究其生长和弛豫过程中的动力学，研究电畴结构和形态缺陷的相互作用，并在纳米尺度上操纵铁电材料等。
图5 PMN–PT陶瓷在不同偏压下的PFM图像
（6）QNM（Quantitative Nanomechanical Mapping，定量纳米力学成像）
QNM是峰值力轻敲模式的一个重要应用，在对样品表面形貌进行高分辨率成像的同时还可以对材料进行纳米尺度的力学分析，通过力-位移曲线可以得到杨氏模量、粘附力、能量耗散和最大形变量等信息。
（7）C-AFM（导电力显微镜）
C-AFM测试电流分布基于接触模式下扫描时施加偏置电压于待测表面和导电探针之间，通过范围为 1pA （皮安）至 1 μA（微安）的线性放大器可以测量通过样品的电流，可以同时得到样品形貌和电流图像，从而测得表面电流分布及样品表面导电情况。此外，还可以通过定点扫描获取某点的I-V曲线。
（8）MFM（Magnetic Force Microscope，磁力显微镜）
磁性材料的宏观性能决定于材料磁畴结构和变化方式，对磁畴结构和变化方式的观测是铁磁学、信息科学和磁性材料与器件等学科领域的基础性研究之一。MFM可以实现磁力和形貌特性同步成像。
（9）LFM（Lateral force Microscope，横向力显微镜）
LFM 又称为FFM（Friction Force Microscope，摩擦力显微镜），在针尖扫描样品过程中，针尖不仅受到与样品表面垂直方向的作用力而导致微悬臂弯曲，还会受到二者水平方向相对运动产生的摩擦力影响，使得微悬臂产生水平方向的扭转，此时四象限光电探测器水平方向的变化就能反映样品表面的摩擦力信息。
图9 硅光栅的形貌图和LFM图像
（10）EFM（Electrical Force Microscope，静电力显微镜）
EFM 是在振动的针尖上施加一定偏压，如果样品表面带有电荷，就会与针尖产生静电相互作用，导致针尖的共振频率和相位发生变化。如果针尖与样品间为吸引力，会降低针尖共振频率，相位相应后移。反之，如果针尖与样品间为排斥力，会使针尖共振频率增大，相位随之前移。因而可以通过针尖所加的偏压性质和相位的变化来判断样品局域的带电信息。由于有多种因素会影响针尖的相位变化，为了保证待测样品带电信息的准确性，往往需要分别施加正负偏压获得两幅 EFM 图像，来辅助判断样品表面的电荷属性。
（11）液下成像模式
SEM、TEM测试生物样品必须进行固化、切片、脱水、导电处理等步骤，且无法得到生理含水环境下真实生物形貌，AFM有极佳的横向分辨率，同时它可以提供在液相中进行生物活性样品进行扫描分析。
三、AFM原子力显微镜样品要求
1. 样品状态：可为粉末、液体、块体、薄膜样品；
2. 粉末样品：常规测试项目样品起伏一般不超过5微米，特殊测试项目样品起伏一般不超过1um，提供20mg，液体不少于1ml，尺寸过大需提前与工程师沟通；
3. 粉末/液体样品请务必备注好制样条件，包括分散液，超声时间及配制浓度；
4. 薄膜或块状样品尺寸要求：长宽0.5-3cm之间，厚度0.1-1cm之间，表面粗糙度不超过5um，一定要标明测试面！块状样品需要固定好，避免在寄送过程产生晃动或摩擦影响测试结果！
5. 测试PFM、KPFM、C-AFM、PeakForce TUNA的材料需要将样品制备在导电基底上，基底大小符合块状样品的尺寸要求，KPFM、C-AFM、PeakForce TUNA的样品需要导电或至少为半导体；
6. PFM，KPFM测试需要样品表面十分平整，样品粗糙度最好在10-200nm之间，粉末样品测试很难测到较好结果，下单前请确保风险可接受。
四、AFM原子力显微镜样品制备
由于AFM是纳米级别的表征手段，一般要求样品表面平整，若样品表面起伏较大，可能探测不到部分样品表面从而无法得到真实的形貌。制样通常要求样品固定到基底上，且基底干净无杂质，如果样品未固定好，或者表面起伏较大，会导致图像异常或者无法扫描出数据。
常用的样品固定方法有用胶固定和静电吸附：常规样品一般用胶将样品粘到基底上，导电实验可使用银胶，液下成像模式注意所使用的胶不能在该液体环境中发生溶解；而例如带负电的DNA样品则可通过静电吸附作用固定到带正电的云母片上；除此之外，还可以通过探针修饰。
制样的基底可选用云母片、硅片、石墨、石英片等，其中最常用的是云母片和硅片，基底的选择取决于样品亲疏水性；云母片使用前需新鲜剥离最表面一层，硅片需双面抛光、超声清洗。
（1）粉末样品的制备：通常超声分散于水或乙醇等溶剂中，再滴涂于基底上，自然晾干；注意样品分散浓度尽可能小，分散后的溶液要透明，浓度过大样品颗粒容易团聚，很难得到好的图像。
（2）块状和薄膜样品的制备：一般用胶粘在样品台或基底上，注意块体样品需上下表面平行，金属、陶瓷等块体样品的待测面需抛光。
（3）液体样品的制备：将样品滴涂于基底上，自然晾干；同样需注意液体样品的浓度，避免团聚。
五、AFM原子力显微镜常见问题
1. 为什么AFM测试样品颗粒或者表面粗糙度不能过大？
一般来说AFM仪器测试的Z相范围是10um左右（有些仪器可能只有2um），因此样品表面起伏过大的样品可能会超出仪器扫描范围，另外粗糙度比较大的样品会导致针尖易磨钝或者受污染，对图像质量有很大影响，且磨损无法修复增加耗材成本。
2. AFM拍摄不到自己想要的效果，表面形貌或粗糙度与自己预期不符合？
AFM拍摄也需要不断寻找合适的位置拍摄，同一样品不同拍摄部位表面形貌和粗糙度极有可能不一致，因为原子力显微镜成像范围较小，与拍摄样品表面是否均匀息息相关。
3. 什么是相图？如何分析相图？
作为轻敲模式的一项重要的扩展技术，相位模式是通过检测驱动微悬臂探针振动的信号源的相位角与微悬臂探针实际振动的相位角之差（即两者的相移）的变化来成像。引起该相移的因素很多，如样品的组分、硬度、粘弹性质，模量等。因此利用相位模式，可以在纳米尺度上获得样品表面局域性质的丰富信息。值得注意的是，相移模式作为轻敲模式一项重要的扩展技术，虽然很有用。但单单是分析相位模式得到的图像是没有意义的，必须和形貌图相结合，比较分析两个图像才能得到你需要的信息。简单来说，如果两种材料从AFM形貌上来说，对比度比较小，但又非常想说明这是在什么膜上长的另外一种，这个时候可以利用二维形貌图+相图来说明（前提是两种材料的物理特性较为不同，相图有明显对比信号才行）。
4. 样品导电性不好能测AFM吗？需要喷金处理吗？
AFM常规测试项目对样品的导电性没有要求，不导电的样品也是可以测试的，不需要做喷金处理，但是部分电学模块的测试，比如KPFM，是需要样品导电的，金颗粒是有一定尺寸的，喷金后可能会在形貌上有影响，因此一般不建议喷金处理。
5. 如何从AFM结果中获得样品的粗糙度？
表面粗糙度计算，这是AFM的优势，可以得到全图粗糙度和所选区域的粗糙度，Rq:均方根粗糙度和Ra:平均值粗糙度，这两个都能参考，在使用时同组数据保持一致就行。如果需要获得粗糙度值，在AFM的离线软件选中高度图，直接点击roughness即可。
6. Force mapping和杨氏模量图之间的差别？
Force mapping是力曲线面扫。通过对Force mapping拟合换算可以获得杨氏模量图。Force mapping和杨氏模量图之间最关键的差别是：一般Force mapping图的采集分辨率为16*16，32*32或64*64， 效果如下左图所示。杨氏模量图的采集分辨率为256*256，效果如下右图所示。另外Force mapping结果默认是可以保留力曲线的数据的，但是杨氏模量图默认是不保留力曲线的数据的（如果杨氏模量图需要导出力曲线，需要在测试前说明），一般蛋白类的样品不适合杨氏模量图，因为杨氏模量图需要的力比较大，并且对样品有要求，制备均匀，厚度超过20nm才可以做杨氏模量图。参考图如下：
7. 力曲线测试，杨氏模量图和Force mapping图之间的区别？
力曲线和Force mapping的区别就在于力曲线采集的数据少（类似能谱点扫，一般随机采集3-5个点），Force mapping采集的力曲线多（类似力曲线面扫，分辨率可以为16*16,32*32等），面扫的每个点的力曲线都可以导出，但是数据量比较大，一般不建议全部导出；杨氏模量图的可以获得面范围内的杨氏模量分布，分辨率一般为256*256，但默认不保存力曲线的数据，如果需要在采集杨氏模量图的时候保存力曲线的数据需要提前说明。
8. PFM测试中，激励电压是什么意思？
压电力显微镜(PFM)即是在AFM基础上发展起来利用原子力显微镜导电探针检测样品的在外加激励电压下的电致形变量的显微镜。为了有效的提取出PFM信号，通常会对探针施加某一固定频率(远低于探针共振频率)的激励信号，通过锁相放大器对PFM信号进行提取。 在PFM测试中，常规仪器的激励电压一般为10V左右，配有高压模块的仪器可以测试到220V。
9. PFM测试的压电驱动电压的选择需要注意什么？
PFM测试中获得的信噪比取决于样品的压电响应、探针种类和驱动电压大小等诸多因素。 在大多数情况下，增加驱动电压（即施加在样品上的交流电的振幅），信噪比将得到改善。如果被测样品是薄膜的情况则需要注意，过大的驱动电压可能导致样品被极化。因此针对不同样品主要选择合适的驱动电压，建议通过参照同类型样品的参考文献进行选择。
10. Peak-Force Tuna和C-AFM测试之间的区别？
TUNA电流是探针要触及样品后的隧穿电流值，反应了样品的导电性，同时探针不会对样品造成损坏，可以说即可以表征样品本征形貌，也反应了样品的电学性能。C-AFM是直接接触样品，如果样品不够硬(比如有机物)，针尖会直接划破样品，同时采集电学信号。两种方式，电流大小会有差异，pktuna模式下，电流会小一些，相对比较的话，结果上是一样。
11. 导电力显微镜一般表征样品多厚区域内的电流分布？
跟材料导电性能有关，导电材料的话几微米厚的可以，要是半导体材料的话可能需要是纳米级别的，1微米以下。
12. 什么是PFM扫回字（也叫扫压电筹/写畴）？
这个比单纯的PFM难，要来回加偏转电压让压电材料发生极化反转，最后再扫整体的图，一共要扫四次。加三次电压发生三次反转，最后再扫一个大范围的才能出现这种图。
六、AFM原子力显微镜的数据处理
（1）所有结果文件
测试结果包含原始数据和导出的图片结果，其中.spm文件为原始数据，需要用专业软件NanoScope Analysis打开；
（2）形貌图
包含2D形貌和3D形貌。
具体操作：软件打开原始数据后，点击Height Sensor图像，首先需要平滑图像，点击Flatten按钮Execute即可；
若存在高度大些的颗粒，可进行选区平滑。
具体操作：点击Flatten按钮，鼠标按住图像进行选区，再Execute即可；再次点击Flatten即可取消选区；
平滑后的图像较暗的话可进行亮暗调节。
具体操作：双击图像右侧的Color Bar，在Modify Color Table中拖动调节Offset和Contrast至合适即可；或者在Modify Data Table中调节。此外，图像颜色也可以在Choose Color Table中调节。
点击3D Image可将2D图像切换为3D图，鼠标在图像上拖拽可调节3D图的角度；若需将3D图背景改为白色可在右侧Inputs中的Background更改；
数据导出：点击Journal Quality Export按钮再Export即可，2D图还可用右键Export导出；
（3）粗糙度
常用的参数有表面平均粗糙度Ra和均方根粗糙度Rq，两者分别表示：
Ra——在所观测区域内相对中央平面测的高度偏差绝对值的算术平均值；
Rq——在取样长度内，轮廓偏离平均线的均方根值，是对应于Ra的均方根参数；
具体操作：2D 图像，点击Roughness即可得到粗糙度结果；
（4）高度和厚度
具体操作：2D图像，点击Section，鼠标划线即可；右键轮廓线图可导出TXT作图数据；
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