原子力显微镜作为纳米级表面分析的核心工具，通过探针与样品表面的相互作用力实现三维形貌及物理性质表征。其工作模式的选择直接决定了测量精度与适用场景。本文结合AFM原子力显微镜的核心工作模式，系统梳理其在材料科学、生物医学、半导体等领域的应用实践。
一、接触模式（Contact Mode）
1. 模式特点
探针J端与样品表面直接接触，通过悬臂梁弯曲检测排斥力变化。该模式具有原子级分辨率，但可能因横向剪切力损伤软质样品。
2. 典型应用
硬质材料形貌分析：
在半导体制造中，用于晶圆表面粗糙度测量，误差可控制在纳米级。接触模式可清晰分辨金属镀层表面的晶粒边界与缺陷。
力学性能测试：
通过力-距离曲线分析，可获取样品杨氏模量、粘附力等参数。例如，在聚合物薄膜研究中，该模式成功区分不同交联密度的材料硬度差异。
薄膜厚度标定：
在台阶高度测量中，接触模式AFM原子力显微镜可实现亚纳米级垂直分辨率，广泛应用于石墨烯层数判定及光学涂层厚度控制。
二、非接触模式（Non-Contact Mode）
1. 模式特点
探针在样品表面上方5-20nm振动，通过检测范德华力变化成像。该模式避免接触损伤，但分辨率略低于接触模式。
2. 典型应用
生物样品成像：
在细胞膜结构研究中，非接触模式成功观测活体细胞表面纳米级褶皱，且不破坏细胞活性。
吸附层分析：
用于研究润滑剂分子在金属表面的单层吸附行为，揭示分子排列方式与摩擦性能的关联。
潮湿环境测量：
在燃料电池质子交换膜湿度测试中，该模式可穿透纳米级水膜，获取膜表面真实形貌。
三、轻敲模式（Tapping Mode）
1. 模式特点
探针以共振频率振动并周期性接触样品，结合接触模式的高分辨率与非接触模式的低损伤特性。
2. 典型应用
聚合物材料表征：
在嵌段共聚物自组装研究中，轻敲模式清晰呈现直径20nm的柱状结构，分辨率优于扫描电子显微镜。
腐蚀表面分析：
用于金属腐蚀坑洞的三维重建，结合相位成像技术可区分氧化层与基体材料的弹性差异。
液相环境测量：
在锂离子电池电解液中，该模式实现电极表面固态电解质界面（SEI）膜的原位观测，为电池衰减机制研究提供关键数据。
四、电学模式扩展
1. 导电原子力显微镜（C-AFM）
应用场景：半导体器件漏电分析、太阳能电池载流子传输路径可视化。
案例：在CMOS芯片失效分析中，C-AFM定位出10nm级漏电通道，指导工艺改进。
2. 开尔文探针力显微镜（KPFM）
应用场景：二维材料表面电势分布、铁电畴极化方向表征。
案例：在MoS₂场效应晶体管研究中，KPFM揭示沟道区域电势梯度与载流子浓度的定量关系。
五、力学与磁学模式
1. 压电力显微镜（PFM）
应用场景：铁电存储器畴结构分析、压电陶瓷微观应变测量。
案例：在锆钛酸铅（PZT）薄膜研究中，PFM实现10nm级电畴翻转动态观测。
2. 磁力显微镜（MFM）
应用场景：磁存储介质位错分析、自旋电子器件磁畴调控。
案例：在垂直磁记录硬盘研究中，MFM解析出30nm磁岛阵列的排列周期性。
六、模式选择决策树
样品硬度：
硬质材料（如金属、陶瓷）→ 接触模式
软质材料（如生物组织、聚合物）→ 轻敲模式或非接触模式
测量环境：
液体/大气环境 → 轻敲模式
真空环境 → 接触模式（避免液体膜干扰）
数据需求：
单纯形貌 → 接触/轻敲模式
多物理场耦合 → 电学/力学扩展模式
七、技术发展趋势
随着新技术的出现，AFM原子力显微镜已实现纳米力学、电学、热学等多参数同步测量。在半导体领域，结合机器学习算法的原子力显微镜数据可反向推导掺杂浓度分布；在生物医学领域，力谱分析技术正用于单分子蛋白折叠研究。未来，AFM原子力显微镜将与光谱技术、电子显微镜深度融合，推动纳米表征技术向多模态、原位化方向发展。