原子力显微镜作为纳米尺度表征的核心工具，其工作模式的选择直接影响实验结果的准确性与样品完整性。本文从技术原理、适用场景及实际案例出发，系统解析接触模式、非接触模式、轻敲模式三大基础模式及Peakforce、KPFM等扩展模式的选择策略，为科研人员提供实用指南。
一、基础工作模式详解
1. 接触模式（Contact Mode）
原理：探针针尖与样品表面直接接触，通过检测悬臂弯曲产生的原子斥力成像。
优势：
分辨率Z高（可达原子级），适合硬质样品（如云母、半导体）的快速扫描。
支持导电、压电等特殊模块测量（如PFM、C-AFM）。
局限：
横向剪切力与毛细力易导致软样品（生物分子、聚合物）变形或图像失真。
针尖磨损风险较高，可能引入伪影。
适用场景：刚性样品表面形貌分析、原子级结构表征（如云母001面六方晶格成像）。
2. 非接触模式（Non-contact Mode）
原理：探针在样品上方5-20nm处振动，通过范德华吸引力或静电力成像。
优势：
无接触力，完全避免样品损伤，适合超软材料（如液态薄膜、有机分子）。
消除横向摩擦力，针尖寿命长。
局限：
分辨率较低（受长程力限制），扫描速度慢。
环境湿度易导致液膜干扰，真空条件下效果Z佳。
适用场景：疏水表面分析、磁畴观测（MFM）、静电势分布（KPFM）等非破坏性需求场景。
3. 轻敲模式（Tapping Mode）
原理：探针以共振频率（50-400kHz）振动，仅在振荡底部短暂接触样品，通过振幅变化反馈形貌。
优势：
平衡分辨率与样品保护，适合中等硬度样品（如生物膜、纳米材料）。
有效克服毛细力，液下成像能力突出。
局限：
反馈控制复杂，扫描速度略低于接触模式。
非常软或非常硬的样品可能影响信号稳定性。
适用场景：生物样品（如DNA、蛋白质）动态观察、纳米复合材料结构分析。
二、扩展工作模式选择策略
1. Peakforce模式（峰值力模式）
原理：通过控制探针与样品的峰值力恒定，直接获取力学信息（如杨氏模量、粘附力）。
优势：
超低作用力（<1nN），适合极软或易损样品（如水凝胶、单分子层）。
同步实现形貌与力学映射（QNM技术）。
适用场景：纳米压痕测试、材料力学性能分布分析。
2. 开尔文探针力显微镜（KPFM）
原理：检测探针与样品间的接触电势差（CPD），映射表面电势分布。
优势：
无需物理接触，适用于导电性差异显著的样品（如金属-绝缘体界面）。
结合形貌数据，可解析电荷传输机制。
适用场景：半导体器件表面电势分析、太阳能电池界面研究。
3. 磁力显微镜（MFM）
原理：利用磁性探针检测样品表面磁畴产生的长程磁力。
优势：
非破坏性观测磁结构，支持动态磁化过程分析。
分辨率可达纳米级。
适用场景：磁存储材料研发、自旋电子学器件表征。
三、模式选择关键考量因素
样品特性：
硬质/刚性样品（如陶瓷、晶体）→ 优先接触模式。
软质/生物样品（如细胞、聚合物）→ 选择轻敲模式或Peakforce模式。
超软或易损样品（如单层膜）→ 非接触模式或Peakforce模式。
研究目标：
纯形貌分析 → 接触模式（硬样品）或轻敲模式（软样品）。
力学性能测试 → Peakforce模式或QNM技术。
电/磁性质研究 → KPFM或MFM模式。
环境条件：
真空/惰性气氛 → 非接触模式分辨率Z优。
液相环境 → 轻敲模式或Peakforce模式（液下成像专用探针）。
四、典型应用案例
案例1：钙钛矿太阳能电池界面优化
问题：界面载流子浓度分布不均导致效率损失。
解决方案：采用KPFM模式表征NiOₓ/钙钛矿界面电势差，结合轻敲模式形貌分析，定位缺陷区域。
结果：通过引入超薄氧化铝层，开路电压提升60meV。
案例2：手性纳米粒子自旋过滤效应验证
问题：需无损观测手性Au纳米粒子表面电子自旋态。
解决方案：磁导原子力显微镜（mc-AFM）结合轻敲模式形貌定位，证实CISS效应。
结果：手性粒子实现自旋方向选择性电子传输，ORR反应选择性显著提高。
案例3：共价有机框架（COF）力学性能评估
问题：三维COF结构刚性验证困难。
解决方案：定量纳米力学成像（QNM）测量COF-300与COF-308的杨氏模量，结合轻敲模式形貌分析。
结果：COF-308“面对面”堆积结构刚性显著优于传统“边对边”结构。
五、总结与建议
AFM原子力显微镜工作模式的选择需综合样品特性、研究目标及环境条件：
硬质样品快速扫描 → 接触模式。
软质样品无损成像 → 轻敲模式或Peakforce模式。
电/磁性质分析 → KPFM或MFM模式。
力学性能分布 → QNM技术。
通过合理匹配模式与需求，可Z大限度发挥原子力显微镜在纳米表征中的优势，推动材料科学、生命科学等领域的研究进展。