學術干貨|原子力顯微鏡（AFM）的使用和成像技巧

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope ，AFM），一種可用來研究包括絕緣體在內的固體材料表面結構的分析儀器。它通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質的表面結構及性質。相關介紹見材料牛專欄（原子力顯微鏡在材料研究中如何大顯身手），這里不再贅述。

原子力顯微鏡的樣品制備

根據針尖與試樣表面相互作用力的變化，AFM主要有3種操作模式：接觸模式(contact mode),非接觸模式(non-contact mode)和敲擊模式(tapping mode)。

接觸模式（Contact Mode）：AFM最直接的成像模式。在整個掃描成像過程之中，探針針尖始終與樣品表面保持接觸，而相互作用力是排斥力。掃描時，懸臂施加在針尖上的力有可能破壞試樣的表面結構，因此力的大小范圍在10^-10～10^-6Ｎ。若樣品表面柔嫩而不能承受這樣的力，則不宜選用接觸模式對樣品表面進行成像。

非接觸模式（non-contact mode）：非接觸模式探測試樣表面時懸臂在距離試樣表面上方5～10nm的距離處振蕩。樣品與針尖之間的相互作用由范德華力控制，通常為10^-12Ｎ，樣品不會被破壞，而且針尖也不會被污染，特別適合于研究柔嫩物體的表面。不足之處，要在室溫大氣環境下實現這種模式十分困難。因為樣品表面不可避免地會積聚空氣中的水，它會在樣品與針尖之間搭起小小的毛細橋，將針尖與表面吸在一起，從而增加尖端對表面的壓力。

輕敲模式（Tapping Mode）：輕敲模式介于接觸模式和非接觸模式之間，是一個雜化的概念。懸臂在試樣表面上方以其共振頻率振蕩，針尖僅僅是周期性地短暫地接觸/敲擊樣品表面。這就意味著針尖接觸樣品時所產生的側向力被明顯地減小了，因此當檢測柔嫩的樣品時，AFM的敲擊模式是最好的選擇之一。一旦AFM開始對樣品進行成像掃描，裝置隨即將有關數據輸入系統，如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰頂之間的最大距離等，用于物體表面分析。同時，AFM還可以完成力的測量工作，測量懸臂的彎曲程度來確定針尖與樣品之間的作用力大小。

圖1 AFM三種操作模式的比較（a）接觸模式；（b）非接觸模式；（c）輕敲模式。

粉末樣品的制備：粉末樣品的制備常用的是膠紙法，先把兩面膠紙粘貼在樣品座上，然后把粉末撒到膠紙上，吹去為粘貼在膠紙上的多余粉末即可。

塊狀樣品的制備：玻璃、陶瓷及晶體等固體樣品需要拋光，注意固體樣品表面的粗糙度。

液體樣品的制備：液體樣品的濃度不能太高，否則粒子團聚會損傷針尖。（納米顆粒：納米粉末分散到溶劑中，越稀越好，然后涂于云母片或硅片上，手動滴涂或用旋涂機旋涂均可，并自然晾干）。

原子力顯微鏡的操作步驟

我們以布魯克Dimension ICON原子力顯微鏡為例，介紹操作過程。

圖2 布魯克Dimension ICON原子力顯微鏡

2.1 開機

a）打開計算機主機、顯示器；b）打開Nanoscope控制器；c）打開Dimension Stage控制器。

2.2 安裝探針

a）選擇合適的探針和夾；b）安裝探針；c）安裝探針夾到儀器上。

2.3 調節激光

a）將激光打在懸臂前端；調整檢測器位置；

2.4 啟動軟件

a）雙擊桌面Nanoscope軟件圖標；

b）進入實驗選擇界面，根據方案，第一步選擇實驗方案，二步選擇實驗環境，第三具體操作模式；c）結束上述步驟后，單擊界面右下方圖標“Load Experiment”，進入具體實驗設置界面。

2.5 在視野中找到探針

在視野中預先找到探針位置非常重要。若不如此做，可能會發生撞針的情況。

2.6 進樣

a）樣品制備；b）聚焦樣品。

2.7 掃描圖像

ScanAsyst智能模式

a）選擇實驗具體模式，ScanAsyst智能模式；b）選擇實驗環境，Air；c）進入實驗界面；d）根據上面提到的步驟，調整激光，并將Head靠近樣品表面以看清樣品；e）點擊 “Check Parameters” 圖標，進入實驗參數設置；f）設定以下掃描參數：Scan size小于 1 um ，X offset和 Y offset設為 0， Scan angle 設為 0， ScanAsyst Auto Control 設為 ON；g）點擊 Engage進針；h）進針結束開始掃圖。將 Scan size 設置成要掃描的范圍。

ScanAsyst是世界上第一個自動優化成像參數的AFM掃描模式，這項Bruker專利的創新性技術采用智能演算方法去自動連續地監測圖像質量，并適時地作出相應的參數調整。使用ScanAsyst模式，研究人員不必再去繁瑣地調整setpoint、反饋增益、掃描速度等參數，只要選定你所需要的掃描區域和掃描范圍，不論是在大氣下還是在溶液中，都可以輕松獲得高質量圖像。

ScanAsyst可精確控制針尖與樣品的作用力，可遠低于Tapping Mode所需要的力，減少針尖在樣品表面的劃痕，保證獲得無損傷高分辨的圖像。

Tapping 模式

a）點擊實驗方案選擇圖標，打開界面；b）選擇實驗具體模式，Tapping Modee； c）選擇實驗環境Air進入實驗界面；d）根據上面提到的步驟，調整激光，并將Head靠近樣品表面以看清樣品；e）點擊 “Check Parameters” 圖標；f） 設定以下掃描參數：Scan size小于 1 um，X offset和 Y offset設為0；g）Scan angle 設為 0；h）Tapping模式需找探針固有振動頻率。點擊“Auto Tune”，可以得到探針的共振峰；i）點擊 Engage進針；j）進針結束開始掃圖，將Scan size 設置成要掃的形貌大小；k）觀察Height Sensor圖中觀察Trace和Retrace兩條曲線的重合情況；l）優化Setpoint。在 Tapping模式下，調節Amplitude setpoint直到Trace和Retrace兩條掃描線基本一致；m）優化Integral gain和 Proportional gain，一般的調節方法為：增大 Integral gain，使Trace和Retrace曲線開始震蕩，然后減小 曲線開始震蕩，然后減小Integral gain直到震蕩消失，接下來用相同的辦法調Proportional gain。通過調節增益來使兩條掃描線基本重合并且沒有震蕩；n）調節掃描范圍和速率。隨著的增大，必須相應降低調節掃描范圍和速率；o）如果樣品很平，可以適當減小Z Range的數值，這將提高 Z方向的分辨率。

Contact 模式

a）點擊實驗方案選擇圖標 ，打開實驗方案選擇；b）選擇實驗具體模式，Contact Mode；c）選擇實驗環境，Air；d）進入實驗界面；e）根據上面提到的步驟，調整激光，并將Head靠近樣品表面以看清樣品；f）點擊“Check Parameters”圖標，進入實驗參數設置；g）設定以下掃描參數：Scan size小于1 um，X offset和 Y offset設為 0，Scan angle 設為0；h）點擊Engage 進針；i）進針結束開始掃圖。將 Scan size 設置成要掃的形貌大小；j）觀察 Height Sensor 圖中觀察 Trace和Retrace 兩條曲線的重合情況；k）優化 Integral gain和 Proportional gain。一般的調節方法為：增大Integral gain，使Trace和Retrace曲線開始震蕩，然后減小 Integral gain直到震蕩消失，接下來用相同的辦法來調節 Proportional gain。通過調節增益來使兩條掃描線基本重合并且沒有震蕩；l）優化Setpoint。在Contact模式中，調節Deflection setpoint直到Trace和Retrace兩條掃描線基本一致；m）調節掃描范圍和掃描速率。隨著掃描范圍的增大，掃描速率必須相應降低。大的掃描速率會減少漂移現象，但一般只用于掃描小范圍的很平的表面；n）如果樣品很平，可以適當減小Z Range的數值，這將提高Z方向的分辨率。

2.8 存圖。對掃描圖像存圖，通過可以設置文件名及存圖路徑。

2.9 退針。點擊Withdraw，退針。

2.10 關機

a）關閉Nanoscope 軟件；b）關閉Nanoscope 控制器；c）關閉Dimension Stage控制器；d）關閉計算機和顯示器。

原子力顯微鏡的偽像分析

原子力顯微鏡的一個重要應用就是對樣品表面的微納米級尺寸特征進行成像，但在掃描成像的過程中，由于針尖的影響作用，使得掃描所獲圖像是原子力探針和樣品共同作用的結果，而不是樣品形貌的真實描述。

圖3 王中林的納米發電機

圖4 針尖大小對成像的影響

圖5 針尖形狀對AFM分辨率的影響

圖6 鈍或臟的針頭

圖7針尖或樣品表面的污染

圖8 雙（多）針尖

圖9 在非常高的樣品上出現的尖端偽影

圖10 掃描速度過快或頻率過高

圖11 像素太低

測試技巧

樣品的預處理：在顯微鏡下看樣品表面是否干凈，平整，如果有污染或不平整，務必重新制樣。雖然針尖能測試的有效高度為6微米，水平范圍100微米。但事實上，水平和高度方面任接近何一個極限，所測得的圖象效果將很差，且針尖很容易破壞和磨損。

下針：在選好模式下針前，務必找到樣品表面，調好焦距。掃描范圍先設置為0，當針尖接觸到樣品表面后，再擴大掃描范圍，保護下針時破壞針尖。

掃圖：為了得到好的圖象，須調好trace和retrace，一般來說調電壓效果會好一些。探針在多次使用后或樣品表面比較粗糙，掃描范圍太小時，trace和retrace重合會比較困難，可以增大掃描范圍或將樣品烘干后再測。測試時應保持安靜，空調等低頻噪音也會影響測試；如果環境太吵，可以降低圖象分辨率，減小外界的影響，或降低掃描頻率。

Integral gain和 Proportional gain：反饋系統的兩個增益值主要用來設定探針的反饋能力。適當提高I gain和P gain的值以提高系統的響應性，但是這兩個參數不宜過高，否則會使掃描器振蕩，致使圖像出現失真。

本文為AFM專題第二篇，下期預告：原子力顯微鏡（AFM）各學科經典應用實例分析，主要介紹其在化學材料、電化學以及高分子等領域的經典應用。

本文由材料人編輯部學術干貨組pamperhey供稿，材料人網編輯整理。

歡迎各大課題組到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao#cailiaoren.com。

材料測試，數據分析，上測試谷。