原子力显微镜表面探测

检测项目

表面形貌与粗糙度：获取样品表面三维形貌图像，并定量计算表面粗糙度参数（如Ra, Rq, Rz）。

表面高度与台阶高度：精确测量表面特征点之间的垂直高度差，常用于薄膜厚度或刻蚀深度测量。

纳米颗粒尺寸与分布：对沉积在基底上的纳米颗粒进行成像，并统计分析其粒径大小与分布密度。

表面摩擦力与横向力：通过测量微悬臂的扭转程度，映射样品表面不同区域的摩擦特性差异。

表面粘附力：通过探针与样品接触-分离过程中的力曲线，定量测量局部的粘附力大小。

表面弹性模量与硬度：基于力-距离曲线，通过力学模型（如赫兹模型）计算局部的杨氏模量等力学性质。

表面电势与静电力：使用导电探针，在开尔文探针力显微镜模式下测量样品表面的局部表面电势或电荷分布。

表面磁畴结构：使用磁性涂层探针，在磁力显微镜模式下无损成像铁磁或亚铁磁材料的磁畴分布。

表面电势分布：通过扫描开尔文探针技术，以纳米级分辨率绘制材料表面的功函数或电势分布图。

生物分子间作用力：功能化修饰探针尖端，用于测量单个生物分子（如蛋白质、DNA）间的特异性相互作用力。

检测范围

空间分辨率：横向分辨率可达0.1-1纳米，纵向分辨率可达0.01纳米，实现原子级观测。

扫描范围（XY方向）：通常从数百纳米到超过100微米，取决于扫描器的类型和设计。

Z向量程：垂直方向的检测范围通常为数微米至十数微米，以适应不同起伏的样品。

力检测范围：可检测的力范围极广，从皮牛级（10^-12 N）的弱相互作用到微牛级（10^-6 N）的接触力。

样品尺寸兼容性：可兼容从毫米级到英寸级（通过大样品台）的不同尺寸固体样品。

温度范围：配合温控附件，可在低温（如液氦温度）、室温到高温（数百摄氏度）环境下工作。

环境适应性：不仅可在超高真空环境下工作，也完全兼容大气、液体以及可控气体氛围。

电学性能测量范围：可测量从绝缘体、半导体到导体的各类材料，电流检测范围可从飞安到微安。

材料类型：适用于金属、陶瓷、聚合物、复合材料、生物样品、液晶等几乎所有固体材料。

形貌起伏适应度：能够测量从超光滑表面（如云母）到非常粗糙的表面（如某些涂层或断口）。

检测方法

接触模式：探针尖端始终与样品表面保持轻微物理接触进行扫描，主要用于形貌成像和摩擦力测量。

轻敲模式：探针在其共振频率附近振荡，间歇性地接触样品表面，有效减少横向力，适用于柔软或粘附性样品。

非接触模式：探针在距样品表面数纳米至数十纳米处振荡，通过检测频率或振幅变化成像，几乎无样品损伤。

峰值力轻敲模式：一种高频、力控的成像模式，每次振荡周期精确控制最大作用力，同时获取形貌、模量、粘附等多参数。

力-距离曲线谱：在样品表面特定点或网格点上采集探针接近-接触-撤回全过程的力曲线，用于定量力学与粘附性质分析。

导电原子力显微镜：使用导电探针，在接触或轻敲模式下同时测量形貌和局部电流或电阻，用于研究导电性分布。

开尔文探针力显微镜：在非接触模式下，通过检测探针与样品间的静电力来测量表面电势或功函数分布。

磁力显微镜：使用磁性涂层探针，在非接触模式下通过探测长程磁力来对磁性材料的磁畴结构进行成像。

扫描电容显微镜：测量探针与样品间形成的微小电容及其变化，用于半导体载流子浓度和掺杂分布的成像。

压电响应力显微镜：对压电或铁电材料施加交流电压，通过检测其逆压电效应引起的微小振动来成像畴结构。

检测仪器设备

微悬臂探针：AFM的核心传感器，通常由硅或氮化硅制成，末端带有尖锐纳米针尖，其弹性常数和共振频率决定测量模式与灵敏度。

激光二极管与位置敏感探测器：用于检测微悬臂的偏转。激光束从悬臂背面反射到PSD上，其光斑位移精确对应悬臂的弯曲或扭转。

压电陶瓷扫描器

检测流程