在纳米科学与材料研究领域，原子力显微镜已成为表征样品表面形貌、力学性能和电学特性的核心工具。然而，样品制备的质量直接决定了成像结果的**度与数据可靠性。本文将系统梳理AFM原子力显微镜制样的全流程技巧，涵盖样品选择、前处理、固定方法及常见问题解决方案，助力研究者突破实验瓶颈。
一、制样前的核心原则：兼容性与稳定性
样品尺寸适配性
基底直径建议控制在10-20mm之间，厚度不超过5mm，以确保与扫描头的机械兼容性。
特殊形状样品（如纤维、薄膜）需提前定制夹具，避免扫描过程中位移。
表面清洁度要求
有机污染物（如指纹、油脂）会导致探针污染，需用异丙醇/乙醇超声清洗5分钟。
生物样品（如细胞、DNA）需通过低温固定或化学交联保持结构完整。
环境适应性
液体环境制样需选择疏水性基底（如云母、HOPG），防止溶液渗入扫描头。
高温实验需预校准样品热膨胀系数，避免成像失真。
二、分类型制样技巧：针对不同材料特性
1. 软物质样品（聚合物、凝胶）
冷冻切片法：将样品嵌入OCT包埋剂，液氮速冻后用Leica切片机获取50-100nm薄片。
关键参数：切片速度≤1mm/s，防止结构变形。
2. 硬质材料（金属、半导体）
机械抛光：依次使用1μm、0.3μm、0.05μm金刚石抛光膏，*终粗糙度Ra<0.5nm。
离子束减薄：对多晶材料，采用Gatan PIPS系统进行3kV低能轰击，减少表面损伤层。
3. 生物样品（细胞、组织）
临界点干燥：用CO₂置换乙醇，避免脱水导致的细胞塌陷（对比传统烘干法形变率降低80%）。
导电处理：喷金时间控制在30s以内，厚度≤5nm，防止掩盖纳米级细节。
三、进阶制样技术：突破传统限制
动态模式专用制样
表面粗糙度需控制在10nm以内，可通过AFM自带的TappingMode校准模块验证。
使用氮化硅探针时，样品硬度应>1GPa，防止探针磨损。
原位液相制样
液体池厚度建议≤200μm，采用PDMS密封环减少蒸发。
电解质溶液需提前脱气，避免气泡干扰（气泡直径>10μm时成像信噪比下降40%）。
高温/高压J端条件制样
加热台需配备PID温控系统，温度梯度≤0.1℃/min。
高压腔体选用蓝宝石观察窗，承受压力可达100MPa。
四、常见问题解决方案
问题现象 | 可能原因 | 解决方案 |
图像出现周期性条纹 | 样品表面电荷积累 | 喷镀10nm金层或使用导电胶固定 |
探针频繁跳针 | 样品吸附力过强 | 降低扫描速率至0.5Hz，增大Setpoint值 |
生物样品细节模糊 | 脱水不充分 | 采用戊二醛梯度固定（2.5%-5%-7.5%） |
液体成像漂移严重 | 液体池密封不良 | 改用O型圈+真空脂双重密封 |
五、制样质量验证标准
形貌对比法：用SEM/TEM对同一区域成像，原子力显微镜高度差误差应<5%。
粗糙度分析：Ra值与文献报道值偏差≤15%。
力学测试验证：弹性模量数据与纳米压痕结果一致性>90%。
掌握AFM原子力显微镜制样技术是获取高质量纳米级数据的前提。研究者需根据样品特性选择优化方案，并通过多维度验证确保结果可靠性。未来随着AI辅助制样系统的发展，自动化流程将进一步提升实验效率，但基础制样原理的深入理解仍是科研人员的核心竞争力。