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原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)是一種基于探針與樣品表面相互作用的高分辨率顯微技術(shù)，能夠在納米尺度上對樣品進行三維形貌測量和多種物理、化學(xué)性質(zhì)分析。其核心優(yōu)勢在于無需真空環(huán)境、可測量多種材料(包括絕緣體)，且能提供遠(yuǎn)超光學(xué)顯微鏡的分辨率(橫向分辨率達(dá)0.1-0.2納米，縱向分辨率達(dá)0.01納米)。以下是AFM的主要測量功能及應(yīng)用場景：
一、表面形貌測量
1、三維形貌重構(gòu)
通過探針掃描樣品表面，記錄探針垂直位移(Z軸信號)，生成高分辨率的三維表面圖像。
應(yīng)用：納米材料表面粗糙度分析、微電子器件結(jié)構(gòu)表征、生物樣本(如細(xì)胞膜、DNA)表面形貌觀察。
案例：測量石墨烯表面單原子層臺階，高度差僅0.34納米。
2、臺階高度與輪廓分析
定量測量薄膜厚度、納米線直徑、顆粒高度等垂直尺寸。
應(yīng)用：半導(dǎo)體薄膜生長質(zhì)量評估、納米顆粒尺寸統(tǒng)計、涂層均勻性檢測。
（微觀蜂窩狀石墨烯）
二、力學(xué)性質(zhì)測量
1、彈性模量與硬度
通過力-距離曲線(Force-Distance Curve)分析，計算樣品局部彈性模量(Young's Modulus)和硬度。
應(yīng)用：聚合物材料力學(xué)性能表征、生物組織(如軟骨、腫瘤細(xì)胞)硬度差異研究。
案例：測量癌細(xì)胞與正常細(xì)胞的彈性模量差異，輔助癌癥診斷。
2、粘附力與摩擦力
測量探針與樣品表面間的粘附力(如分子間作用力)或橫向摩擦力。
應(yīng)用：潤滑材料性能評估、生物分子(如蛋白質(zhì)、DNA)與基底相互作用研究。
三、電學(xué)性質(zhì)測量
1、導(dǎo)電原子力顯微鏡(C-AFM)
在探針上施加電壓，測量樣品表面電流分布，生成導(dǎo)電性映射圖。
應(yīng)用：半導(dǎo)體器件漏電分析、導(dǎo)電聚合物薄膜均勻性檢測、太陽能電池電極接觸質(zhì)量評估。
案例：定位太陽能電池中導(dǎo)電不良的微區(qū)，優(yōu)化制造工藝。
2、靜電力顯微鏡(EFM)
測量探針與樣品表面間的靜電力，反映表面電荷分布或介電常數(shù)。
應(yīng)用：鐵電材料疇結(jié)構(gòu)觀察、絕緣體表面電荷陷阱分析。
（Jupiter Discovery原子力顯微鏡）
四、磁學(xué)性質(zhì)測量
1、磁力顯微鏡(MFM)
使用磁性涂層探針，通過磁相互作用力映射樣品表面磁疇結(jié)構(gòu)。
應(yīng)用：硬盤磁頭開發(fā)、磁性納米顆粒排列研究、自旋電子器件表征。
案例：觀察磁存儲介質(zhì)中納米級磁疇的寫入與讀取過程。
五、熱學(xué)性質(zhì)測量
1、掃描熱顯微鏡(SThM)
探針尖端加熱并測量局部熱導(dǎo)率，生成熱分布圖。
應(yīng)用：微電子器件熱管理優(yōu)化、復(fù)合材料熱導(dǎo)率各向異性分析。
六、化學(xué)與生物性質(zhì)測量
1、化學(xué)力顯微鏡(CFM)
探針功能化修飾(如連接特定分子)，通過化學(xué)鍵合力識別表面化學(xué)成分。
應(yīng)用：單分子檢測、催化劑表面活性位點定位、生物分子特異性識別。
2、生物樣本動態(tài)觀察
在液體環(huán)境中實時監(jiān)測細(xì)胞運動、蛋白質(zhì)折疊或DNA雜交過程。
案例：觀察活細(xì)胞膜表面受體動態(tài)分布，研究藥物作用機制。
七、動態(tài)過程監(jiān)測
1、時間分辨AFM
高速掃描(毫秒級)捕捉表面形貌變化，如相變、結(jié)晶生長或腐蝕過程。
應(yīng)用：電池電極充放電過程形貌演變、金屬腐蝕初期階段監(jiān)測。
八、原子力顯微鏡與其他技術(shù)聯(lián)用
1、AFM-拉曼聯(lián)用
結(jié)合AFM形貌與拉曼光譜化學(xué)信息，實現(xiàn)“形貌-成分”同步分析。
應(yīng)用：二維材料(如MoS?)層數(shù)與缺陷識別、聚合物復(fù)合材料界面研究。
2、AFM-紅外聯(lián)用
通過針尖增強紅外光譜(TERS)，實現(xiàn)納米級化學(xué)成像。
應(yīng)用：生物分子納米結(jié)構(gòu)化學(xué)組成分析、催化劑表面活性中心定位。
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