接触式和非接触式AFM分别使用于研究哪种材料?如何得到样品的表面形镜像？
接触式和非接触式原子力显微镜（AFM）是两种非常重要的表面分析技术，它们各自擅长研究不同类型的材料，并且获取表面形貌的方式也各有侧重。下面我将详细阐述它们的应用范围、样品表面形貌的获取过程，并尽量用自然的语言来讲解，避免AI写作的痕迹。
接触式AFM：亲密接触，揭示细节
主要研究材料：
接触式AFM最适合研究那些坚固、不易变形或损伤的材料。这包括但不限于：
金属及其合金： 比如不锈钢、金、银、铜等。金属表面通常比较硬，能够承受探针的物理接触而不会产生明显的形变。
陶瓷材料： 比如氧化铝、氧化锆、碳化硅等。陶瓷的硬度很高，接触式AFM可以清晰地成像其表面粗糙度、晶界、微裂纹等细节。
半导体材料： 比如硅、砷化镓等。在半导体制造过程中，表面形貌的精确控制至关重要，接触式AFM能够对晶圆表面进行高精度测量。
某些硬质聚合物： 一些工程塑料，如果它们的表面足够硬，也可以在小心操作的情况下使用接触式AFM进行研究。
自组装单分子层（SAMs）和薄膜： 对于附着力较强的SAMs或薄膜，接触式AFM可以探测其分子排列和表面结构。
为什么适合这些材料？
接触式AFM顾名思义，它的探针尖端会持续且紧密地接触样品表面。它工作的基本原理是，当探针在样品表面移动时，会受到样品表面起伏变化产生的相互作用力（主要是范德华力和排斥力）。探针会沿着一个固定的力（例如，设定的“设定力”）与样品表面相互作用。当探针遇到表面的凸起时，它会向上弯曲；遇到凹陷时，它会向下弯曲。
在这种工作模式下，探针和样品表面之间始终存在着一定的接触压力。如果材料本身比较柔软、易碎或者表面附着有非常松散的物质，这种持续的物理接触和压力可能会导致：
样品损伤： 探针可能会刮擦、剥离或者压坏样品表面的结构。
探针污染或损坏： 样品表面的软性物质可能会粘附在探针尖端，影响成像质量，甚至损坏探针。
信息失真： 材料本身的形貌信息会被接触带来的形变所掩盖。
因此，接触式AFM的优势在于其简单易懂的反馈机制和在某些情况下非常高的分辨率，特别适合研究那些能够承受住物理“触摸”的坚固表面。
如何得到样品的表面形貌像？
1. 样品准备： 样品需要固定在AFM载台上。通常情况下，对于坚固的样品，无需特殊的前处理，只需保证表面清洁即可。但如果样品是粉末状或易碎的，可能需要将其沉积在导电基底上，或者进行固化处理，以便于固定和成像。
2. 探针选择： 选择一个合适的探针是关键。探针的曲率半径越小，分辨率越高，但探针尖端也越脆弱。对于接触式AFM，通常选择硬度较高的探针，如硅探针或氮化硅探针，它们的弹性模量较高，不易发生永久形变。
3. 调谐与校准： 将探针靠近样品，并调整探针与样品之间的距离，直到探测到预设的“设定力”。这个“设定力”是一个非常小的数值，通常在纳牛顿量级，目的是保证探针与样品有微弱的接触，但不足以造成损伤。
4. 扫描过程： AFM系统通过压电陶瓷（Piezoelectric Transducer）精确控制探针在样品表面的水平（XY）方向移动。同时，反馈系统（Feedback System）会实时监测探针的弯曲度（通过激光和光电探测器测量）。
如何反馈？ 当探针遇到表面的凸起时，它的弯曲度会改变，反馈系统会检测到这种变化，并迅速通过压电陶瓷驱动探针向上移动，以维持预设的“设定力”。反之，当探针遇到凹陷时，探针弯曲度减小，反馈系统会使探针向下移动。
5. 形貌图生成： 反馈系统记录下每次Z方向的位移量。这个Z方向的位移量就直接对应于样品表面的高度信息。当探针扫描完整个设定区域后，AFM系统将这些Z方向的位移量按照其在XY方向的位置进行记录，最终在计算机上绘制出反映样品表面起伏高度的三维形貌图。图中的颜色或灰度变化就代表了样品表面的高度差异。
非接触式AFM：优雅远观，温和探测
主要研究材料：
非接触式AFM的优势在于其极低的相互作用力，因此非常适合研究那些脆弱、易损、柔软或者表面非常精细的材料。这包括：
生物分子： 如DNA、蛋白质、细胞膜、细菌等。这些生物大分子结构复杂且易受外力影响，非接触式AFM能够以极高的分辨率对其进行成像，而不破坏其生物活性或结构。
软聚合物和凝胶： 如聚合物薄膜、水凝胶、液晶等。这些材料的力学性能较弱，容易被接触式AFM“压坏”或“刮掉”，非接触式AFM的非破坏性成像特性使其成为理想选择。
表面吸附物和分子层： 比如在基底上吸附的单个分子、有机分子薄膜、表面修饰层等。非接触式AFM可以探测到这些极薄、易脱落的层状结构。
一些纳米材料的特定形貌： 例如碳纳米管、石墨烯在某些特定环境下的形貌，尤其是当它们与基底之间的结合力不强时。
需要保持表面湿润的研究： 在液体环境中进行成像时，非接触式AFM也可以有效工作，这对于研究生物样品在生理环境下的行为至关重要。
为什么适合这些材料？
非接触式AFM的工作方式是让探针尖端不接触样品表面，而是处于一个近距离的范德华力作用区域。它通常在样品表面的共振频率附近工作。具体来说：
1. 激发振动： AFM探针被驱动以接近其自身的共振频率进行振动。
2. 力场作用： 当探针靠近样品表面时，样品表面与探针尖端之间会产生一个恒定的范德华力。这个力会引起探针振动频率的偏移（德拜频率偏移）或者振幅的改变（取决于具体的实现方式，如频率调制或振幅调制模式）。
3. 反馈控制： 反馈系统监测这种频率偏移（或振幅变化），并调整探针与样品之间的垂直距离，以维持一个恒定的力（或者说恒定的频率偏移/振幅）。
由于探针与样品之间没有直接的物理接触，因此它对样品表面的损伤几乎为零。这种非破坏性是其最大的优势，尤其是在研究那些极其脆弱的生命科学样品或软材料时。探针尖端的扫描路径距离样品表面非常近，通常在几纳米到几十纳米的范围内，这保证了很高的空间分辨率，同时避免了与样品表面的直接机械作用。
如何得到样品的表面形貌像？
1. 样品准备： 样品同样需要固定在AFM载台上。对于生物样品，可能需要将其固定在适当的基底上（如玻璃片或云母片），或者制备成薄膜状。确保样品表面能够产生可探测的范德华力即可。
2. 探针选择与调谐： 选择合适的探针（通常是带有尖锐尖端的微悬臂梁，其曲率半径非常小，通常在510纳米）。将探针靠近样品，并将其振动频率调整到接近其共振频率。
3. 扫描过程（以振幅调制为例）：
恒定振幅模式： 驱动探针在样品上方一定的高度振动，其振幅是恒定的。当探针靠近样品表面时，范德华力会改变探针的振动模式，比如减小其振动幅度。反馈系统监测这种振幅的变化。
如何反馈？ 为了维持探针的振动幅度恒定，反馈系统会驱动Z向压电陶瓷，使探针与样品之间的距离发生变化。如果振幅减小了（意味着探针靠近了样品），反馈系统就会抬高探针；如果振幅增大了（意味着探针远离了样品），反馈系统就会降低探针。
4. 形貌图生成： 反馈系统同样记录下Z向压电陶瓷的位移量，这个位移量反映了维持探针在特定振动状态下（比如恒定振幅）所需要的探针与样品之间的垂直距离。当探针扫描完XY平面后，这些记录下来的垂直位移量就构成了样品表面的高度信息，最终在计算机上生成三维形貌图。
总结一下关键区别：
| 特征 | 接触式AFM | 非接触式AFM |
| : | : | : |
| 工作模式 | 探针尖端与样品表面持续、轻微接触 | 探针尖端在样品表面上方几纳米至几十纳米处振动，不接触 |
| 相互作用 | 较强的排斥力、范德华力 | 主要是范德华力 |
| 对样品影响 | 可能造成样品表面损伤、摩擦 | 几乎无损伤（非破坏性） |
| 适用材料 | 坚固、硬质、不易变形的材料（金属、陶瓷等） | 脆弱、柔软、易损的材料（生物分子、聚合物、凝胶等） |
| 分辨率 | 在某些情况下可以达到原子级分辨率（在完美晶体表面） | 极高分辨率，可观察分子尺度结构 |
| 成像速度 | 通常比非接触式快 | 通常比接触式慢（需要额外的反馈和振动控制） |
| 探针寿命 | 易损，需要频繁更换 | 寿命相对较长 |
理解这两种模式的差异，选择最适合你研究材料的AFM技术，是获得高质量、有意义表面形貌数据的关键。
接触式AFM：亲密接触，揭示细节
主要研究材料：
接触式AFM最适合研究那些坚固、不易变形或损伤的材料。这包括但不限于：
金属及其合金： 比如不锈钢、金、银、铜等。金属表面通常比较硬，能够承受探针的物理接触而不会产生明显的形变。
陶瓷材料： 比如氧化铝、氧化锆、碳化硅等。陶瓷的硬度很高，接触式AFM可以清晰地成像其表面粗糙度、晶界、微裂纹等细节。
半导体材料： 比如硅、砷化镓等。在半导体制造过程中，表面形貌的精确控制至关重要，接触式AFM能够对晶圆表面进行高精度测量。
某些硬质聚合物： 一些工程塑料，如果它们的表面足够硬，也可以在小心操作的情况下使用接触式AFM进行研究。
自组装单分子层（SAMs）和薄膜： 对于附着力较强的SAMs或薄膜，接触式AFM可以探测其分子排列和表面结构。
为什么适合这些材料？
接触式AFM顾名思义，它的探针尖端会持续且紧密地接触样品表面。它工作的基本原理是，当探针在样品表面移动时，会受到样品表面起伏变化产生的相互作用力（主要是范德华力和排斥力）。探针会沿着一个固定的力（例如，设定的“设定力”）与样品表面相互作用。当探针遇到表面的凸起时，它会向上弯曲；遇到凹陷时，它会向下弯曲。
在这种工作模式下，探针和样品表面之间始终存在着一定的接触压力。如果材料本身比较柔软、易碎或者表面附着有非常松散的物质，这种持续的物理接触和压力可能会导致：
样品损伤： 探针可能会刮擦、剥离或者压坏样品表面的结构。
探针污染或损坏： 样品表面的软性物质可能会粘附在探针尖端，影响成像质量，甚至损坏探针。
信息失真： 材料本身的形貌信息会被接触带来的形变所掩盖。
因此，接触式AFM的优势在于其简单易懂的反馈机制和在某些情况下非常高的分辨率，特别适合研究那些能够承受住物理“触摸”的坚固表面。
如何得到样品的表面形貌像？
1. 样品准备： 样品需要固定在AFM载台上。通常情况下，对于坚固的样品，无需特殊的前处理，只需保证表面清洁即可。但如果样品是粉末状或易碎的，可能需要将其沉积在导电基底上，或者进行固化处理，以便于固定和成像。
2. 探针选择： 选择一个合适的探针是关键。探针的曲率半径越小，分辨率越高，但探针尖端也越脆弱。对于接触式AFM，通常选择硬度较高的探针，如硅探针或氮化硅探针，它们的弹性模量较高，不易发生永久形变。
3. 调谐与校准： 将探针靠近样品，并调整探针与样品之间的距离，直到探测到预设的“设定力”。这个“设定力”是一个非常小的数值，通常在纳牛顿量级，目的是保证探针与样品有微弱的接触，但不足以造成损伤。
4. 扫描过程： AFM系统通过压电陶瓷（Piezoelectric Transducer）精确控制探针在样品表面的水平（XY）方向移动。同时，反馈系统（Feedback System）会实时监测探针的弯曲度（通过激光和光电探测器测量）。
如何反馈？ 当探针遇到表面的凸起时，它的弯曲度会改变，反馈系统会检测到这种变化，并迅速通过压电陶瓷驱动探针向上移动，以维持预设的“设定力”。反之，当探针遇到凹陷时，探针弯曲度减小，反馈系统会使探针向下移动。
5. 形貌图生成： 反馈系统记录下每次Z方向的位移量。这个Z方向的位移量就直接对应于样品表面的高度信息。当探针扫描完整个设定区域后，AFM系统将这些Z方向的位移量按照其在XY方向的位置进行记录，最终在计算机上绘制出反映样品表面起伏高度的三维形貌图。图中的颜色或灰度变化就代表了样品表面的高度差异。
非接触式AFM：优雅远观，温和探测
主要研究材料：
非接触式AFM的优势在于其极低的相互作用力，因此非常适合研究那些脆弱、易损、柔软或者表面非常精细的材料。这包括：
生物分子： 如DNA、蛋白质、细胞膜、细菌等。这些生物大分子结构复杂且易受外力影响，非接触式AFM能够以极高的分辨率对其进行成像，而不破坏其生物活性或结构。
软聚合物和凝胶： 如聚合物薄膜、水凝胶、液晶等。这些材料的力学性能较弱，容易被接触式AFM“压坏”或“刮掉”，非接触式AFM的非破坏性成像特性使其成为理想选择。
表面吸附物和分子层： 比如在基底上吸附的单个分子、有机分子薄膜、表面修饰层等。非接触式AFM可以探测到这些极薄、易脱落的层状结构。
一些纳米材料的特定形貌： 例如碳纳米管、石墨烯在某些特定环境下的形貌，尤其是当它们与基底之间的结合力不强时。
需要保持表面湿润的研究： 在液体环境中进行成像时，非接触式AFM也可以有效工作，这对于研究生物样品在生理环境下的行为至关重要。
为什么适合这些材料？
非接触式AFM的工作方式是让探针尖端不接触样品表面，而是处于一个近距离的范德华力作用区域。它通常在样品表面的共振频率附近工作。具体来说：
1. 激发振动： AFM探针被驱动以接近其自身的共振频率进行振动。
2. 力场作用： 当探针靠近样品表面时，样品表面与探针尖端之间会产生一个恒定的范德华力。这个力会引起探针振动频率的偏移（德拜频率偏移）或者振幅的改变（取决于具体的实现方式，如频率调制或振幅调制模式）。
3. 反馈控制： 反馈系统监测这种频率偏移（或振幅变化），并调整探针与样品之间的垂直距离，以维持一个恒定的力（或者说恒定的频率偏移/振幅）。
由于探针与样品之间没有直接的物理接触，因此它对样品表面的损伤几乎为零。这种非破坏性是其最大的优势，尤其是在研究那些极其脆弱的生命科学样品或软材料时。探针尖端的扫描路径距离样品表面非常近，通常在几纳米到几十纳米的范围内，这保证了很高的空间分辨率，同时避免了与样品表面的直接机械作用。
如何得到样品的表面形貌像？
1. 样品准备： 样品同样需要固定在AFM载台上。对于生物样品，可能需要将其固定在适当的基底上（如玻璃片或云母片），或者制备成薄膜状。确保样品表面能够产生可探测的范德华力即可。
2. 探针选择与调谐： 选择合适的探针（通常是带有尖锐尖端的微悬臂梁，其曲率半径非常小，通常在510纳米）。将探针靠近样品，并将其振动频率调整到接近其共振频率。
3. 扫描过程（以振幅调制为例）：
恒定振幅模式： 驱动探针在样品上方一定的高度振动，其振幅是恒定的。当探针靠近样品表面时，范德华力会改变探针的振动模式，比如减小其振动幅度。反馈系统监测这种振幅的变化。
如何反馈？ 为了维持探针的振动幅度恒定，反馈系统会驱动Z向压电陶瓷，使探针与样品之间的距离发生变化。如果振幅减小了（意味着探针靠近了样品），反馈系统就会抬高探针；如果振幅增大了（意味着探针远离了样品），反馈系统就会降低探针。
4. 形貌图生成： 反馈系统同样记录下Z向压电陶瓷的位移量，这个位移量反映了维持探针在特定振动状态下（比如恒定振幅）所需要的探针与样品之间的垂直距离。当探针扫描完XY平面后，这些记录下来的垂直位移量就构成了样品表面的高度信息，最终在计算机上生成三维形貌图。
总结一下关键区别：
| 特征 | 接触式AFM | 非接触式AFM |
| : | : | : |
| 工作模式 | 探针尖端与样品表面持续、轻微接触 | 探针尖端在样品表面上方几纳米至几十纳米处振动，不接触 |
| 相互作用 | 较强的排斥力、范德华力 | 主要是范德华力 |
| 对样品影响 | 可能造成样品表面损伤、摩擦 | 几乎无损伤（非破坏性） |
| 适用材料 | 坚固、硬质、不易变形的材料（金属、陶瓷等） | 脆弱、柔软、易损的材料（生物分子、聚合物、凝胶等） |
| 分辨率 | 在某些情况下可以达到原子级分辨率（在完美晶体表面） | 极高分辨率，可观察分子尺度结构 |
| 成像速度 | 通常比非接触式快 | 通常比接触式慢（需要额外的反馈和振动控制） |
| 探针寿命 | 易损，需要频繁更换 | 寿命相对较长 |
理解这两种模式的差异，选择最适合你研究材料的AFM技术，是获得高质量、有意义表面形貌数据的关键。
网友意见
接触式和非接触式并没有被严格限制在哪种材料上，表面粗糙度低的样品两种都可以用。
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