【乾貨】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。

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，因此力的大小範圍在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範德華力控制，通常為10-12Ｎ，樣品不會被破壞，而且針尖也不會被汙染，特別適合於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）：輕敲模式介於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，用於物體表面分析。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。

粉末樣品的製備：粉末樣品的製備常用的是膠紙法，先把兩面膠紙粘貼在樣品座上，然後把粉末撒到膠紙上，吹去為粘貼在膠紙上的多餘粉末即可。

塊狀樣品的製備：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。

液體樣品的製備：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，然後塗於雲母片或矽片上，手動滴塗或用旋塗機旋塗均可，並自然晾乾）。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

b）進入實驗選擇界面，根據方案，第一步選擇實驗方案，第二步選擇實驗環境，第三具體操作模式c）結束上述步驟後，單擊界面右下方圖標「Load Experiment」，進入具體實驗設置界面

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。

d）根據上面提到的步驟，調整雷射，並將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小於 1 um ，X offset和 Y offset設為 0， Scan angle 設為 0， ScanAsyst Auto Control 設為 ONh）進針結束開始掃圖。將 Scan size 設置成要掃描的範圍

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專利的創新性技術採用智能演算方法去自動連續地監測圖像質量，並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範圍，不論是在大氣下還是在溶液中，都可以輕鬆獲得高質量圖像。

ScanAsyst可精確控制針尖與樣品的作用力，可遠低於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。d）根據上面提到的步驟，調整雷射，並將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小於 1 um，X offset和 Y offset設為0h）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，然後減小 曲線開始震蕩，然後減小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併且沒有震蕩n）調節掃描範圍和速率。隨著的增大，必須相應降低調節掃描範圍和速率o）如果樣品很平，可以適當減小Z Range的數值，這將提高 Z方向的解析度e）根據上面提到的步驟，調整雷射，並將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小於1 um，X offset和 Y offset設為 0，Scan angle 設為0i）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，然後減小 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併且沒有震蕩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）調節掃描範圍和掃描速率。隨著掃描範圍的增大，掃描速率必須相應降低。大的掃描速率會減少漂移現象，但一般只用於掃描小範圍的很平的表面n）如果樣品很平，可以適當減小Z Range的數值，這將提高Z方向的解析度

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

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徵進行成像，但在掃描成像的過程中，由於針尖的影響作用，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解析度的影響

圖6 鈍或髒的針頭

圖7 針尖或樣品表面的汙染

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

樣品的預處理：在顯微鏡下看樣品表面是否乾淨，平整，如果有汙染或不平整，務必重新制樣。雖然針尖能測試的有效高度為6微米，水平範圍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。掃描範圍先設置為0，當針尖接觸到樣品表面後，再擴大掃描範圍，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。探針在多次使用後或樣品表面比較粗糙，掃描範圍太小時，trace和retrace重合會比較困難，可以增大掃描範圍或將樣品烘乾後再測。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，可以降低圖象解析度，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。

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