原子力显微镜(AFM)原理

在该模式中，悬臂扫描时始终保持与样品接触。因为，当悬臂扫过样品表面时，强烈的排斥力导致悬臂弯曲

在此技术中，悬臂扫描时在样品表面上方振动。精确高速的反馈回路阻止针尖接触击表面，保持针尖锐。当针尖接近样品表面时，悬臂的振幅将会减小。通过运用反馈回路来纠正振幅偏差，可以得到一幅表面形貌像。

作为非接触模式的替代方法，该模式中悬臂同样是在表面，只是以更高的振幅振动。更大的振幅能够充分放大偏移信号，使控制回路更加容易控制形貌反馈。使用该方法可以得到较高分辨率的原子力显微镜图像，但针尖容易变钝，最终加速成像分辨率的降低。

不像标准静电力显微镜一样需要两次扫描，动态接触式静电力显微镜DC-EFM可以在单个扫描中运用锁定放大器来表征样品表面的电性能和形貌。悬臂被施加了一个不同于共振频率的交流电压，锁定放大器提取位敏光二极管信号中的振动组分，从而得到静电力显微镜的信号。

静电力显微镜（EFM）运用导电悬臂来探测样品表面的铁电区域。一张EFM图像是由两次扫描组成的：第一次扫描检测样品表面形貌，第二次扫描前悬臂被提升到距离样品一定高度以确保长程静电力是主导作用力。在该静电区域里，悬臂受到的吸引力和排斥力对应样品表面所带的正电荷和负电荷。最终使用者可以得到一张纳米尺度的区域电学性能以及形貌像。

导电原子力显微镜 通过使用导电的偏压探针接触式扫描样品表面，人们可以测量样品的导电性。样品表面的高导电区域可以让电流轻松通过，相反，低导电区域会产生较高的阻力。导电原子力显微镜可以同时收集样品的电性能以及表面形貌像。

当悬臂与样品直接接触后时，我们给两者之间施加一个偏压。当偏压发生变化时，相应的电流变化可以被检测到，并用来表征样品表面特定位置的电学性能。采集的数据点可以用于生成表面电学性能的图像。

扫描电容显微镜（SCM）通过记录样品和金属探针之间的局部电容变化来表征造样品表面。同时含有交流和直流偏压组分的调制载波器可以探测到针尖和样品间的电容变化。放大器被用于检测高信噪比的电容传感器输出，且该输出信号（dC/dV）的量级是载流子和掺杂浓度的函数。

在扫描开尔文探针显微镜里，原子力显微镜在非接触模式下工作，与此同时导电悬臂在共振频率振动并横向地扫描样品表面。所产生的静电信号提供表面电势以及电容梯度的相关信息。通过解析控制探针和样品之间的作用力，可得到形貌数据。

(SSRM)是一种主要用于研究半导体横截面电特性的模式，通常在真空条件下进行，以防止样品上氧化膜的形成。导电悬臂接触样品表面，并在悬臂与样品之间施加电压。悬臂强力压在样品表面，穿透表面的氧化层，并建立欧姆接触。该技术全面测量电流、电阻等电特性，同时获取样品的拓扑结构。高电阻区域阻碍电流流动，低电阻区域则促进电流流动，这些电特性通过电流和电阻图像来观察和分析。

离子电导显微镜（ICM）利用纳米级孔径的吸液管进行检测。液体中吸液管内部和外部之间的离子流随着纳米吸液管探针和表面之间的距离而变化。通过运用反馈控制器来保持离子流恒定，人们可以获得样品表面的形貌。

力-距离曲线可以通过悬臂探针和样品表面接触得到。特定区域力-距离曲线的形状可以用来深度解析样品的力学性能，如粘附力，杨氏模量等。

正如静电力显微镜进行形貌和电学性能两次扫描一样，磁力显微镜（MFM）也分别扫描形貌和磁性能。其特点是通过接触扫描来获取形貌，然后将探针提升到距离表面一定高度再次扫描以探测长程磁性作用力。在该磁性区域内，磁化悬臂的弯曲将对应着样品表面的磁力强弱。

在力调制显微镜里（FMM），悬臂在扫描样品表面时振动。位敏光电二极管可以检测悬臂的振幅随着表面局部硬度的变化。通过内部锁定放大器提取出来的PSPD信号振幅的变化，我们可以计算出样品表面的硬度。

与传统的原子力显微镜运用悬臂纵向弯曲来表征表面形貌不同，横向力显微镜（LFM）使用悬臂在扫描表面时的扭曲来成像。当针尖在表面移动时悬臂扭转的程度能够提供样品表面的摩擦力和粘附力等有效信息。

纳米压痕技术通过将原子力显微镜的探针压入样品表面，然后对压痕原位成像来表征材料的局部硬度。通过分析压痕的加载和卸载曲线可以得到样品的硬度和弹性系数。

在该技术中，人们借助机械或电学的方法，用悬臂使样品表面改性。机械方法是将一个结实的特制悬臂大力刻入表面，电学方法则是使用偏压悬臂使表面区域发生氧化。

NSOM（近场扫描光学显微镜) 在近场扫描光学显微镜（NSOM）里中，人们使用一个特制的纳米孔径探针来进行形貌扫描。在扫描过程中，一束激光穿过孔径激发样品表面，与此同时光子技术器检测每个刺激发区域的光学响应，得到结合了表面形貌和以及光学信息的图像。

如同近场扫描光学显微镜测量形式一样，针尖加强型拉曼光谱使用激发激光来检测样品表面光学信号。在此过程中，激光利用探针加强效应从侧面进入。此外，分光光度计替代了光子计数器，从而为用户提供局部拉曼光谱，用于表征样品表面的局部化学组成。

SThM运用热敏电阻悬臂进行接触扫描以测量样品表面的热性能。在扫描过程中任探针电阻的变化将会被记录下来用于形成样品表面的热图像。

电化学原子力显微镜（EC-AFM）是一种可选模式，用于监测样品表面由氧化还原（redox）反应引起的变化。在EC-AFM中，电位计与AFM结合，用于控制工作电极（样品）、参比电极和浸入液体电解质中的计数电极之间的电压电位，并测量其之间的电流。循环伏安法是一种电化学技术，通过在工作电极电位相对于参比电极进行来回扫描，并测量电化学电池中的电流响应来研究氧化还原行为。循环伏安图（CV）显示了在正向和反向扫描之间切换电位时的阴极和阳极峰电流。在CV扫描期间，工作电极发生电子转移过程，分析物分子可以在电极表面发生氧化和还原反应。AFM可以在CV曲线上固定电极电位时成像工作电极的表面形貌，或者在多个CV周期期间实时连续监测表面形貌的变化。EC-AFM能够提供有关诸如沉积、腐蚀和电子转移机制等多种电化学过程的信息，同时还能深入了解用于传感器、催化剂和电池/能源电池应用的材料设计。