扫描探针显微镜的工作模式有哪些?

更新时间：2025-12-01

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扫描探针显微镜（SPM）是包含扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）等多个分支的显微镜家族，不同分支因核心检测原理不同，工作模式存在显著差异，其中STM和AFM的应用最为广泛，具体工作模式如下：

扫描隧道显微镜（STM）

STM依靠探针与样品间的隧道电流成像，核心有两种基础工作模式，适配不同样品表面情况：

恒流模式：这是STM很常用的模式。扫描时反馈回路会控制隧道电流始终保持恒定，意味着探针与样品表面的相对距离不变。探针在XY平面扫描过程中，会通过Z轴方向的上下移动来适配样品表面起伏，Z轴的运动轨迹就对应着样品的表面形貌，适合大多数表面起伏的样品成像。

恒高模式：扫描时探针的高度保持固定，不开启反馈调节。此时样品表面的起伏会改变探针与样品的间距，进而导致隧道电流发生变化，通过记录隧道电流的波动就能反映样品形貌。该模式扫描速度快，可观察样品表面动态过程，但仅适用于表面起伏极小的样品，否则易出现探针与样品碰撞损坏的情况。

原子力显微镜（AFM）

AFM通过检测探针与样品间的微弱作用力成像，工作模式更丰富，既涵盖基础形貌成像模式，也有适配特殊检测需求的拓展模式：

基础形貌成像模式

接触模式：探针与样品表面持续接触，依靠原子间的排斥力工作。反馈系统会维持悬臂梁弯曲度恒定（即作用力不变），探针Z轴方向的运动记录样品形貌。该模式成像分辨率高，但探针在样品表面滑动，可能损伤软样品（如生物大分子）。

非接触模式：探针不接触样品，悬臂梁被驱动在共振频率略高的位置振动。当探针靠近样品时，长程范德华吸引力会使悬臂梁振幅减小，系统维持振幅恒定并扫描成像。此模式对样品损伤小，适合脆弱样品，但分辨率略低于接触模式，操作难度较高。

间歇接触模式（轻敲模式）：结合了接触模式和非接触模式的优点。悬臂梁在共振频率附近振动，探针在每个振动周期中短暂“敲击”样品表面后离开。通过维持振幅恒定成像，既保证了分辨率，又避免了持续接触对样品的损伤，常用于生物大分子、聚合物等软样品检测。

特殊功能拓展模式

横向力显微镜（LFM）：基于接触模式，通过检测悬臂梁的扭转程度来反映探针与样品间的摩擦力分布，可用于分析样品表面的摩擦特性。

静电力显微镜（EFM）：给探针施加电荷，在非接触状态下探测样品表面的电荷分布，适用于研究材料的电学特性。

磁力显微镜（MFM）：探针覆盖永磁材料，可检测样品不同磁畴的磁力分布，常用于磁性材料的微观磁结构分析。

相位成像模式：通过记录悬臂梁振动相位的变化成像，相位变化与样品的硬度、粘性等物理性质相关，能区分样品表面不同组分的材质差异。

扭转共振模式（TR模式）等智能模式：多为现代AFM的优化模式，可提升成像稳定性和效率，适配复杂样品的高精度检测。