【AFM】干货！读完这篇帮你解决95%的原子力显微镜（AFM）应用问题
审核：小铅笔
AFM可以对样品表面形态、纳米结构、链构象等方面进行研究，获得纳米颗粒尺寸，孔径，材料表面粗糙度，材料表面缺陷等信息，同时还能做表面结构形貌跟踪（随时间，温度等条件变化）。也可对样品的形貌进行丰富的三维模拟显示，使图像更适合于人的直观视觉。结合仪器的各种标准操作模式以及独有的附件，可在进行高分辨成像的同时，获得包括样品力学、电学、磁学、热力学等各项性能指标。
图1 探针示意图
1. 表面形貌和表面粗糙度
AFM可以对样品表面形态、纳米结构、链构象等方面进行研究，获得纳米颗粒尺寸，孔径，材料表面粗糙度，材料表面缺陷等信息，同时还能做表面结构形貌跟踪（随时间，温度等条件变化）。也可对样品的形貌进行丰富的三维模拟显示，使图像更适合于人的直观视觉。下图表征的是样品的二维几何形貌图和三维高度形貌图。
图2 样品的2D主形貌和3D主形貌
图3 样品的粗糙度值Ra和Rq
2. 台阶高度和纳米片厚度的测量
在半导体加工过程中通常需要测量高纵比结构，像沟槽和台阶，以确定刻蚀的深度和宽度。这些在SEM 下只有将样品沿截面切开才能测量，AFM 可以对其进行无损的测量。AFM在垂直方向的分辨率约为0.01nm，因此可以很好的用于表征纳米片厚度。
图4 台阶高度（a）和纳米片厚度（b）测量
3.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）。
图5 样品的主形貌和相图
4. AFM成像在生物体系中的应用
有很多方法都可用于生物大分子的研究，但是，这些方法的实际应用都受到不同程度的限制，由于生物大分子的复杂性和特殊性，一些适合研究材料样品的方法例如TEM，在应用于生物样品时都遇到了难以克服的困难。AFM成像的特点在生物样品中具有突出的优势，主要包括：样品制备简单，对样品的破坏较其他技术要小的多；操作样品时无需样品导电，无需低温，真空等条件；并且能在多种环境中运作，如空气，液体等都无障碍，可以对活细胞进行接近实时的观察；能提供生物分子的高分辨三维图像；能以纳米尺度的分辨率观察局部电荷密度和物理特性，观察生物分子之间的作用力（如受体-配体）；能对单细胞，单分子进行操作，运用的相位成像，力模式等使得AFM的应用在生物大分子领域做出了重大的贡献。下图展示的是λ-DNA（a）和霍乱菌（b）的AFM形貌图。
图6λ-DNA（a）和霍乱菌（b）的AFM形貌图
5. 特殊模式应用简介
5.1 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。
图7 力曲线分析
5.2 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100-200 nm，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。
图8 样品形貌和静电力梯度图
5.3 开尔文探针力显微镜（Kelvin ProbeForce Microscopy, 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。
图9 样品的主形貌和对应电势分布图
5.4 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。
图10 样品的主形貌和磁力梯度图
5.5 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。
图11 PFM测试的PZT薄膜的电滞回线
5.6 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。
图12 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。
图13 Peakforce Tuna模式测试的电流分布图
5.7 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。
图14 样品的模量分布
5.8 AFM的其他应用
AFM的其他应用有材料表面与薄膜硬度，微载荷划痕，摩擦力，粘弹性，弹性等力学性能研究，材料表面与薄膜电性能，磁性能，导热性能研究和一些比较前沿的如：纳米刻蚀，纳米操纵，单分子拉伸等。
图15 纳米操纵
参考文献：
H. W. C., et al. Adv. Mater. 2000, 12, 1299.
参考书籍：
《原子力显微术及其应用》杨序纲，杨潇著
《扫描探针显微技术理论与应用》彭昌盛著
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