原子力显微镜作为纳米级表面形貌表征的核心工具，其工作模式的选择直接影响成像质量与实验效率。不同模式在分辨率、样品适应性、操作难度等方面存在显著差异。本文将从原理、特点及典型应用场景出发，为您梳理AFM原子力显微镜工作模式的选择逻辑。
一、接触模式（Contact Mode）
原理：探针针尖始终与样品表面保持直接接触，通过检测悬臂梁的弯曲变形获取表面形貌。
特点：
优势：横向分辨率高（可达0.1nm），适合硬质样品（如硅片、金属）。
局限：针尖-样品间摩擦力可能导致样品损伤或探针磨损，不适用于软物质（如聚合物、生物细胞）。
适用场景：
硬质材料表面形貌观测
摩擦力/粘附力定量分析
二、轻敲模式（Tapping Mode）
原理：探针以高频振动（通常数十kHz）轻触样品表面，通过振幅或相位变化反馈信号。
特点：
优势：减少横向剪切力，兼容软质样品（如聚合物、生物膜）；抗污染能力强。
局限：分辨率略低于接触模式，需优化振动参数。
适用场景：
生物大分子、聚合物薄膜
液体环境下的原位观测（如细胞动态过程）
三、非接触模式（Non-Contact Mode）
原理：探针在样品表面上方振动，通过检测长程范德华力变化实现成像。
特点：
优势：无接触损伤，适合易变形或吸附性样品。
局限：信号弱、分辨率低（通常>1nm），对环境振动敏感。
适用场景：
超软材料（如水凝胶、液滴）
吸附层厚度测量
四、**模式扩展应用
1. 相位成像（Phase Imaging）
原理：检测轻敲模式中振动相位差，反映材料硬度差异。
应用：聚合物相分离、细胞膜结构分析。
2. 力曲线模式（Force Spectroscopy）
原理：记录针尖-样品间作用力随距离的变化曲线。
应用：纳米力学性能测试（如杨氏模量）、粘附力定量。
3. 电力显微镜（EFM/KPFM）
原理：结合导电探针测量表面电势分布。
应用：半导体器件、光伏材料电学性能表征。
五、模式选择决策树
样品硬度：
硬质材料 → 接触模式
软质/易损样品 → 轻敲模式
超软材料 → 非接触模式
环境条件：
液体/潮湿环境 → 轻敲模式（需防水探针）
数据需求：
形貌+力学性质 → 力曲线模式
电学性质 → KPFM
时间成本：
快速扫描 → 轻敲模式（通常速度更快）
六、注意事项
探针匹配：根据模式选择专用探针（如高弹性模量探针用于接触模式）。
参数优化：扫描速度、反馈增益需根据样品特性动态调整。
伪影识别：接触模式中的“假峰”可能源于探针磨损，需定期检查探针状态。
原子力显微镜工作模式的选择是实验设计的关键环节，需综合考量样品特性、环境条件及数据需求。从基础的接触/轻敲模式到功能化的力-电耦合分析，合理选择模式不仅能提升成像质量，更能拓展AFM原子力显微镜在纳米科学中的多维度应用能力。实验前建议通过小范围预扫描验证模式适用性，以实现高效**的纳米表征。