原子力顯微鏡作為納米級(jí)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)及典型應(yīng)用場(chǎng)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(guò)檢測(cè)懸臂梁的彎曲變形獲取表面形貌。
特點(diǎn)：

優(yōu)勢(shì)：橫向分辨率高（可達(dá)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(xì)胞）。
適用場(chǎng)景：

硬質(zhì)材料表面形貌觀測(cè)

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(dòng)（通常數(shù)十kHz）輕觸樣品表面，通過(guò)振幅或相位變化反饋信號(hào)。
特點(diǎn)：

優(yōu)勢(shì)：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(qiáng)。

局限：分辨率略低于接觸模式，需優(yōu)化振動(dòng)參數(shù)。
適用場(chǎng)景：

生物大分子、聚合物薄膜

液體環(huán)境下的原位觀測(cè)（如細(xì)胞動(dòng)態(tài)過(guò)程）

三、非接觸模式（Non-Contact Mode）

原理：探針在樣品表面上方振動(dòng)，通過(guò)檢測(cè)長(zhǎng)程范德華力變化實(shí)現(xiàn)成像。
特點(diǎn)：

優(yōu)勢(shì)：無(wú)接觸損傷，適合易變形或吸附性樣品。

局限：信號(hào)弱、分辨率低（通常>1nm），對(duì)環(huán)境振動(dòng)敏感。
適用場(chǎng)景：

超軟材料（如水凝膠、液滴）

吸附層厚度測(cè)量

四、**模式擴(kuò)展應(yīng)用

1. 相位成像（Phase Imaging）

原理：檢測(cè)輕敲模式中振動(dòng)相位差，反映材料硬度差異。

應(yīng)用：聚合物相分離、細(xì)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(cè)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(cè)量表面電勢(shì)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(shù)

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(shí)間成本：

快速掃描 → 輕敲模式（通常速度更快）

六、注意事項(xiàng)

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(dòng)態(tài)調(diào)整。

偽影識(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)前建議通過(guò)小范圍預(yù)掃描驗(yàn)證模式適用性，以實(shí)現(xiàn)高效**的納米表征。