原子力顯微鏡作為納米級表面形貌表征的核心工具，其工作模式的選擇直接影響成像質(zhì)量與實驗效率。不同模式在分辨率、樣品適應(yīng)性、操作難度等方面存在顯著差異。本文將從原理、特點及典型應(yīng)用場景出發(fā)，為您梳理AFM原子力顯微鏡工作模式的選擇邏輯。
一、接觸模式（Contact Mode）
原理：探針針尖始終與樣品表面保持直接接觸，通過檢測懸臂梁的彎曲變形獲取表面形貌。
特點：
優(yōu)勢：橫向分辨率高（可達0.1nm），適合硬質(zhì)樣品（如硅片、金屬）。
局限：針尖-樣品間摩擦力可能導(dǎo)致樣品損傷或探針磨損，不適用于軟物質(zhì)（如聚合物、生物細胞）。
適用場景：
硬質(zhì)材料表面形貌觀測
摩擦力/粘附力定量分析
二、輕敲模式（Tapping Mode）
原理：探針以高頻振動（通常數(shù)十kHz）輕觸樣品表面，通過振幅或相位變化反饋信號。
特點：
優(yōu)勢：減少橫向剪切力，兼容軟質(zhì)樣品（如聚合物、生物膜）；抗污染能力強。
局限：分辨率略低于接觸模式，需優(yōu)化振動參數(shù)。
適用場景：
生物大分子、聚合物薄膜
液體環(huán)境下的原位觀測（如細胞動態(tài)過程）
三、非接觸模式（Non-Contact Mode）
原理：探針在樣品表面上方振動，通過檢測長程范德華力變化實現(xiàn)成像。
特點：
優(yōu)勢：無接觸損傷，適合易變形或吸附性樣品。
局限：信號弱、分辨率低（通常>1nm），對環(huán)境振動敏感。
適用場景：
超軟材料（如水凝膠、液滴）
吸附層厚度測量
四、**模式擴展應(yīng)用
1. 相位成像（Phase Imaging）
原理：檢測輕敲模式中振動相位差，反映材料硬度差異。
應(yīng)用：聚合物相分離、細胞膜結(jié)構(gòu)分析。
2. 力曲線模式（Force Spectroscopy）
原理：記錄針尖-樣品間作用力隨距離的變化曲線。
應(yīng)用：納米力學(xué)性能測試（如楊氏模量）、粘附力定量。
3. 電力顯微鏡（EFM/KPFM）
原理：結(jié)合導(dǎo)電探針測量表面電勢分布。
應(yīng)用：半導(dǎo)體器件、光伏材料電學(xué)性能表征。
五、模式選擇決策樹
樣品硬度：
硬質(zhì)材料 → 接觸模式
軟質(zhì)/易損樣品 → 輕敲模式
超軟材料 → 非接觸模式
環(huán)境條件：
液體/潮濕環(huán)境 → 輕敲模式（需防水探針）
數(shù)據(jù)需求：
形貌+力學(xué)性質(zhì) → 力曲線模式
電學(xué)性質(zhì) → KPFM
時間成本：
快速掃描 → 輕敲模式（通常速度更快）
六、注意事項
探針匹配：根據(jù)模式選擇專用探針（如高彈性模量探針用于接觸模式）。
參數(shù)優(yōu)化：掃描速度、反饋增益需根據(jù)樣品特性動態(tài)調(diào)整。
偽影識別：接觸模式中的“假峰”可能源于探針磨損，需定期檢查探針狀態(tài)。
原子力顯微鏡工作模式的選擇是實驗設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需綜合考量樣品特性、環(huán)境條件及數(shù)據(jù)需求。從基礎(chǔ)的接觸/輕敲模式到功能化的力-電耦合分析，合理選擇模式不僅能提升成像質(zhì)量，更能拓展AFM原子力顯微鏡在納米科學(xué)中的多維度應(yīng)用能力。實驗前建議通過小范圍預(yù)掃描驗證模式適用性，以實現(xiàn)高效**的納米表征。