如何选择适合特走实验的扫描探针显微镜工作模式?

更新时间：2026-08-30

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扫描探针显微镜主要分为原子力显微镜AFM、扫描隧道显微镜STM，不同工作模式适配样品硬度、表面粗糙度、导电性、样品粘附特性，选错模式会出现探针损坏、图像失真、样品划伤等问题。

1扫描隧道显微镜STM模式

适用前提，样品必须具备导电性，绝缘样品无法使用STM。依靠探针和样品之间隧道电流反馈成像。

主要适合导电薄膜、金属样品、导电半导体晶片、石墨类材料，可以获得原子级分辨图像。

不适合绝缘、软质易变形样品，样品表面有疏松易脱落层也不建议使用。

STM又分为恒流模式与恒高模式。恒流模式最为常用，保持隧道电流恒定，适合表面起伏较大样品；恒高模式探针高度固定，扫描速度快，仅适合表面非常平整的样品，起伏稍大容易撞针。

2AFM接触模式

探针针尖持续和样品表面直接接触，靠微悬臂形变反馈信号。

适合硬质、表面起伏不大的固体样品，金属、陶瓷、硬质薄膜。扫描速度相对较快。

短板，针尖对样品表面存在横向摩擦力，软材料、高分子薄膜、粉体样品容易被针尖刮擦划伤；软质样品会发生形变，形貌测量失真。不适合脆弱、易剥离样品。

3AFM轻敲模式（间歇接触模式）

探针做高频振动，只有振动低点短暂触碰样品表面，横向摩擦力大幅降低。

通用性强的模式，适合高分子材料、薄膜、粉体、生物相关固体样品，既可以测形貌，也可以减少样品被刮伤。

适合表面有一定起伏，质地偏软、容易被划伤的样品。相比接触模式扫描速度略慢；表面过于粗糙陡峭，依然存在撞针风险。轻敲模式还可以同步做相位成像，区分样品表面不同组分、软硬差异。

4AFM非接触模式

探针全程不触碰样品，依靠范德华长程作用力反馈。

不会损伤样品表面，适合极软、极易损伤的样品。

短板，信号弱，对环境振动、湿度十分敏感，对样品平整度要求高，不适合粗糙起伏大的样品，实际测试使用场景少于轻敲模式。

5特殊功能模式选型

相位成像，一般搭配轻敲模式使用，用于区分样品表面不同相、软硬区域，不单纯看表面高度。

力曲线模式，不做面扫描，用于测试样品表面力‑距离曲线，获取粘附力、弹性模量等力学参数。

磁力显微镜MFM，磁性样品，选用磁力模式，分离形貌信号与磁畴信号，需要对应磁性探针。

静电力EFM，测试样品表面电位分布，选用导电探针，适合半导体、器件表面电势表征。

6根据样品条件快速选型

样品导电，追求原子分辨：优先STM恒流模式。

硬质平整固体，不怕针尖刮擦：AFM接触模式。

软质薄膜、粉体、易刮伤样品：优先轻敲模式。

超软极易损伤、不能触碰的样品：非接触模式，同时严格控制环境振动湿度。

需要测磁性结构：MFM磁力模式。

需要测表面电势：EFM静电力模式。

需要测弹性、粘附等力学性能：力曲线测试模式。

7容易忽略的选型要点

样品表面颗粒松散，粉末容易脱落，优先轻敲模式，降低作用力，防止颗粒粘在针尖造成图像伪影。

样品表面起伏很大，尽量降低扫描速度，无论哪种模式都要调低扫描增益，避免撞针。

环境影响，空气中湿度大，毛细力会干扰接触、非接触模式，必要时考虑液相模式。液相环境测试，需要选用对应液体下工作的模式与探针。

探针也要和模式配套，不同模式探针的弹性系数、针尖曲率半径需要匹配，只选对模式，探针型号不匹配，依旧得不到合格图像。

8简单总结

导电性样品优先考虑STM；绝大多数普通固体材料，优先轻敲模式；硬质不怕刮擦选接触模式；超软易损伤样品选择非接触模式；要做磁学、电学、力学分析，再选择对应的特殊功能模式。