原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)是一种基于探针与样品表面相互作用的高分辨率显微技术，能够在纳米尺度上对样品进行三维形貌测量和多种物理、化学性质分析。其核心优势在于无需真空环境、可测量多种材料(包括绝缘体)，且能提供远超光学显微镜的分辨率(横向分辨率达0.1-0.2纳米，纵向分辨率达0.01纳米)。以下是AFM的主要测量功能及应用场景：
一、表面形貌测量
1、三维形貌重构
通过探针扫描样品表面，记录探针垂直位移(Z轴信号)，生成高分辨率的三维表面图像。
应用：纳米材料表面粗糙度分析、微电子器件结构表征、生物样本(如细胞膜、DNA)表面形貌观察。
案例：测量石墨烯表面单原子层台阶，高度差仅0.34纳米。
2、台阶高度与轮廓分析
定量测量薄膜厚度、纳米线直径、颗粒高度等垂直尺寸。
应用：半导体薄膜生长质量评估、纳米颗粒尺寸统计、涂层均匀性检测。
（微观蜂窝状石墨烯）
二、力学性质测量
1、弹性模量与硬度
通过力-距离曲线(Force-Distance Curve)分析，计算样品局部弹性模量(Young's Modulus)和硬度。
应用：聚合物材料力学性能表征、生物组织(如软骨、肿瘤细胞)硬度差异研究。
案例：测量癌细胞与正常细胞的弹性模量差异，辅助癌症诊断。
2、粘附力与摩擦力
测量探针与样品表面间的粘附力(如分子间作用力)或横向摩擦力。
应用：润滑材料性能评估、生物分子(如蛋白质、DNA)与基底相互作用研究。
三、电学性质测量
1、导电原子力显微镜(C-AFM)
在探针上施加电压，测量样品表面电流分布，生成导电性映射图。
应用：半导体器件漏电分析、导电聚合物薄膜均匀性检测、太阳能电池电极接触质量评估。
案例：定位太阳能电池中导电不良的微区，优化制造工艺。
2、静电力显微镜(EFM)
测量探针与样品表面间的静电力，反映表面电荷分布或介电常数。
应用：铁电材料畴结构观察、绝缘体表面电荷陷阱分析。
（Jupiter Discovery原子力显微镜）
四、磁学性质测量
1、磁力显微镜(MFM)
使用磁性涂层探针，通过磁相互作用力映射样品表面磁畴结构。
应用：硬盘磁头开发、磁性纳米颗粒排列研究、自旋电子器件表征。
案例：观察磁存储介质中纳米级磁畴的写入与读取过程。
五、热学性质测量
1、扫描热显微镜(SThM)
探针尖端加热并测量局部热导率，生成热分布图。
应用：微电子器件热管理优化、复合材料热导率各向异性分析。
六、化学与生物性质测量
1、化学力显微镜(CFM)
探针功能化修饰(如连接特定分子)，通过化学键合力识别表面化学成分。
应用：单分子检测、催化剂表面活性位点定位、生物分子特异性识别。
2、生物样本动态观察
在液体环境中实时监测细胞运动、蛋白质折叠或DNA杂交过程。
案例：观察活细胞膜表面受体动态分布，研究药物作用机制。
七、动态过程监测
1、时间分辨AFM
高速扫描(毫秒级)捕捉表面形貌变化，如相变、结晶生长或腐蚀过程。
应用：电池电极充放电过程形貌演变、金属腐蚀初期阶段监测。
八、原子力显微镜与其他技术联用
1、AFM-拉曼联用
结合AFM形貌与拉曼光谱化学信息，实现“形貌-成分”同步分析。
应用：二维材料(如MoS₂)层数与缺陷识别、聚合物复合材料界面研究。
2、AFM-红外联用
通过针尖增强红外光谱(TERS)，实现纳米级化学成像。
应用：生物分子纳米结构化学组成分析、催化剂表面活性中心定位。
更新时间：2025-10-31
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