一、实验准备：细节决定成败
1.1 样品制备
基底选择：
云母片：新剥离表面极平整，适合分散粉末或液体样品（如生物分子、纳米颗粒）。
硅片：需用浓硫酸与双氧水混合液（7:3）在90℃下清洗1小时，去除有机物，适用于半导体或陶瓷材料。
导电基底：镀金/铂的铁片或硅片，确保电学测试准确性。
样品固定：
小块/薄膜样品：双面胶或导电银浆粘贴至铁片/硅片，避免扫描时移位。
大块样品（>10mm）：真空吸附直接固定。
液体样品：控制浓度（越稀越好），旋涂或滴涂于云母片/硅片后自然晾干，防止粒子团聚。
生物样品特殊处理：
蛋白质/DNA：用PBS缓冲液清洗去除盐分，通过调节pH值（低于等电点）使样品带正电，吸附于带负电的云母表面。
活细胞：琼脂糖凝胶固定维持活性，或用2.5%戊二醛固定后吹干；覆盖率控制在50%~70%，确保贴壁生长。
1.2 探针选择与安装
探针类型：
接触模式：高刚度悬臂（>40N/m），适用于硬质样品（如石墨、半导体）。
轻敲模式：中低刚度悬臂（<10N/m），减少软物质（聚合物、细胞膜）损伤。
生物样品：低弹性模量探针（如Si₃N₄材质），避免机械损伤。
安装要点：
轻拿轻放扫描器，防止探针碰撞。
激光校准：调整激光束对准悬臂前端，确保Sum值≥3（无涂层）或7（有涂层）。
1.3 环境控制
隔振措施：
将原子力显微镜置于光学平台或隔音箱内，关闭空调/通风口，减少低频振动（<10Hz）干扰。
使用主动减震台（如Halcyonics系统），提升图像信噪比20%以上。
温湿度控制：
湿度敏感样品（如钙钛矿材料）：在氮气或氩气手套箱中操作，避免探针与样品间形成毛细水桥。
启用AFM原子力显微镜的热漂移校正功能，或在扫描前预热样品台30分钟。
二、操作技巧：从参数到模式
2.1 扫描参数设置
速度平衡：
低速扫描（<2Hz）：适当提高增益（0.7-0.9），捕捉纳米级细节。
高速扫描（>10Hz）：降低增益（<0.5），防止反馈滞后导致图像模糊。
设定点调整：
初始阶段：以较大设定点（如-0.5V）快速逼近样品，避免撞针。
精细扫描：逐步降低设定点（如-0.1V），提高纵向分辨率。
2.2 模式选择指南
接触模式：
优势：高分辨率，适用于硬质材料（如陶瓷、金属）。
注意：侧向力可能损伤软样品，需谨慎使用。
非接触模式：
优势：无损检测，适合柔软样品（如聚合物、生物膜）。
局限：室温大气环境下易受毛细水桥影响，需在干燥环境或液体中操作。
轻敲模式：
优势：综合接触与非接触模式的优点，推荐用于生物样品和液体环境。
进阶技巧：通过相位成像（Phase Imaging）区分样品组分（如聚合物共混物的相分离），适当提高驱动振幅（>100mV）以增强对比度。
2.3 实时监控与优化
Height Sensor曲线：
观察Trace与Retrace两条曲线的重合情况，调整积分增益（Integral gain）和比例增益（Proportional gain），消除震荡。
ScanAsyst智能模式：
自动优化参数（如作用力、扫描速度），适用于大气和液体环境，减少手动调整工作量。
三、数据处理：从噪声中提取信号
3.1 图像预处理
去噪技术：
中值滤波：保留边缘的同时去除脉冲噪声。
高斯滤波：平滑高斯噪声，适用于背景校正。
低通滤波：滤除高频噪声（如扫描线抖动），截止频率设为扫描速率的2倍。
背景校正：
平面拟合或多项式拟合，消除探针或样品倾斜引起的基线漂移。
3.2 表面特征分析
粗糙度计算：
均方根粗糙度（RMS）：表征表面高度的波动情况。
算术平均粗糙度（Ra）：反映表面微观不平度。
颗粒尺寸分布：
阈值分割：区分颗粒与背景。
边缘检测（Canny/Sobel算法）：识别颗粒边界。
形态学操作（膨胀/腐蚀）：优化分割结果。
3.3 三维重建与可视化
软件工具：
Nanoscope Analysis软件：应用0阶、1阶、2阶平滑处理优化图像，调整色度条与坐标轴显示，生成三维形貌图。
导出数据：通过“Export Data”功能保存分析结果，支持后续统计与对比。
四、常见问题与解决方案
图像模糊：检查扫描速度与增益设置，降低速度或提高增益。
探针污染：使用低弹性模量探针，避免在软样品上使用接触模式。
样品移位：确保样品固定牢固，生物样品可借助聚赖氨酸或胶原蛋白增强粘附。
热漂移干扰：启用热漂移校正，或预热样品台30分钟后再扫描。
AFM原子力显微镜的实验技巧涵盖样品制备、参数设置、模式选择及数据处理全流程。通过精细控制实验条件（如探针类型、扫描速度、环境干扰），结合智能模式（如ScanAsyst）和先进数据处理方法（如相位成像、三维重建），可显著提升数据质量与科研效率。掌握这些技巧，将助力科研工作者在纳米尺度下揭示材料的本征特性。