AFM 的成像信号从哪里来？

AFM 的英文全称是 atomic force microscopy，中文常称原子力显微镜。这类仪器让针尖在样品表面逐点扫描，把排斥、吸引、黏附或静电相互作用转成悬臂梁偏转信号，再由反馈系统重建表面信息。

图1. Bruker Application Note AN160 Figure 1，PeakForce QNM 对聚合物共混物的 LogDMTModulus、高度图和力-距离曲线；用于说明 AFM 同时记录高度和力学响应。DOI: 10.1103/PhysRevLett.56.930。

图里的Height 面板对应表面几何起伏，LogDMTModulus 面板来自力曲线拟合的局部模量，下面的曲线记录不同相区的探针接近和回撤过程。同一区域由此可以同时给出形貌和局部力学。

因此，AFM的“看到”对应的是探针-样品相互作用。当探针半径、加载力、振荡模式和反馈参数改变时，同一表面可能出现不同高度、相位、黏附或模量分布。报告AFM 结果时，探针型号和扫描模式本身就是实验条件。

AFM 最常读哪些表面形貌？

最常见的AFM 输出是高度图。它能记录纳米级高度差，也能读出薄膜表面起伏、颗粒高度、孔洞深度、台阶厚度、划痕轮廓和岛状生长。对于二维材料、聚合物膜、氧化物薄膜和生物膜，高度差常比横向尺寸更可靠，因为横向轮廓容易受针尖半径放大。

图2. Blue Scientific/Bruker AFM 复合图，包含 Height、Potential、Modulus、Deformation和 Adhesion 面板；用于说明同一区域可同时读取高度、表面电势和纳米力学信号。DOI: 10.1021/acsnano.0c00622。

粗糙度来自整张高度矩阵。Ra 描述平均绝对偏差，Rq 描述均方根起伏；退火、刻蚀、沉积或循环反应后，Ra/Rq 会随颗粒长大、孔洞形成和表面平整度改变。扫描面积不同，粗糙度数值也会不同。

AFM横向分辨率受针尖半径限制，真实高度要和横向轮廓分开判断。尖锐沟槽和小颗粒容易被扫宽，高度值却常保持较好稳定性。材料分析里常把 AFM 与 SEM、TEM、椭偏或台阶仪搭配。

AFM 为什么不只是一张高度图？

当探针靠近、接触、离开表面时，悬臂梁偏转会形成力-距离曲线。曲线中的接触斜率关联样品刚度，回撤段的拉脱峰关联黏附力，加载和卸载路径差异关联耗散。

图3. Bruker Application Note AN160 Figure 3，Force Volume 扫描得到高度、黏附、模量和单点力曲线；用于说明 AFM 力谱怎样区分低黏附碳材料和高黏附基体。DOI: 10.1103/PhysRevLett.56.930。

Force Volume或PeakForce QNM 会在每个像素附近收集力学信息，再转成黏附、模量、形变量或耗散图。软聚合物、凝胶、细胞和涂层常用这类 AFM 模式读取局部力学差异。拟合结果受探针半径、接触模型、加载速度和样品厚度影响。

相位图也属于高度之外的信号图。轻敲模式下，表面覆盖层、相区或材料性质差异会改变局部黏附、硬度、能量耗散和污染层响应。两个区域在高度图里接近，却可能在相位或黏附图里分开。

不同 AFM 模式分别读什么？

接触模式让探针持续压在表面，适合硬表面和摩擦信号；轻敲模式让悬臂梁振荡，适合软样品和常规形貌；非接触模式利用长程力，适合高分辨表面成像。模式差异会改变加载力、横向拖拽和反馈变量。

图4. PF-KPFM 原图，包含 Al/Si/Au 区域的Topography、Surface Potential 和电势线剖面；用于说明 KPFM 可在 AFM 框架下读取表面电势。DOI: 10.1021/acsnano.0c00622。

KPFM读取表面电势和功函数差，PFM 读取压电响应和铁电畴，MFM 读取磁畴和磁相互作用，C-AFM 读取局域电流和漏电路径。以针尖扫描为基础的扩展模式，会把力、电、磁或电流响应转成二维图。

多模式AFM常让同一块样品的高度图、KPFM 图和 C-AFM 图给出不同分布。高度起伏代表几何表面，表面电势代表局部电荷或功函数差，电流图代表导电路径。

AFM 结果容易被哪些因素改写？

AFM 最常见误差来自针尖卷积，针尖磨损或沾附污染也会改变图像。针尖有有限半径，扫过窄沟、陡壁和小颗粒时，横向轮廓会被放宽；颗粒可能出现重复影、拖尾或条纹。

图5. Blue Scientific/Bruker PeakForce KPFM 图，包含 Height、Potential、Adhesion 和线剖面；用于说明形貌、电势和黏附信号可能给出不同空间分布。DOI: 10.1021/acsnano.0c00622。

软样品压痕也会改写结果。加载力偏大时，聚合物、凝胶、生物样品和松散颗粒层的高度会偏低，力学图也会偏向压入深度较大的区域。空气中的水膜和污染层会增加黏附力，相位图可能同时包含材料耗散和表面吸附水贡献。

可靠的AFM 结果通常会标出扫描面积、像素数、扫描速率、模式、探针型号和粗糙度统计区域。AFM 可以读取表面纳米形貌、力学与局域功能信号；晶格取向、元素分布和化学价态仍要交给 TEM、EDS、XPS 或谱学方法补足。

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