掃描探針顯微鏡的工作模式有哪些?

更新時間：2025-12-01

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掃描探針顯微鏡（SPM）是包含掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）等多個分支的顯微鏡家族，不同分支因核心檢測原理不同，工作模式存在顯著差異，其中STM和AFM的應用最為廣泛，具體工作模式如下：

掃描隧道顯微鏡（STM）

STM依靠探針與樣品間的隧道電流成像，核心有兩種基礎工作模式，適配不同樣品表面情況：

恒流模式：這是STM很常用的模式。掃描時反饋回路會控制隧道電流始終保持恒定，意味著探針與樣品表面的相對距離不變。探針在XY平面掃描過程中，會通過Z軸方向的上下移動來適配樣品表面起伏，Z軸的運動軌跡就對應著樣品的表面形貌，適合大多數表面起伏的樣品成像。

恒高模式：掃描時探針的高度保持固定，不開啟反饋調節。此時樣品表面的起伏會改變探針與樣品的間距，進而導致隧道電流發生變化，通過記錄隧道電流的波動就能反映樣品形貌。該模式掃描速度快，可觀察樣品表面動態過程，但僅適用于表面起伏極小的樣品，否則易出現探針與樣品碰撞損壞的情況。

原子力顯微鏡（AFM）

AFM通過檢測探針與樣品間的微弱作用力成像，工作模式更豐富，既涵蓋基礎形貌成像模式，也有適配特殊檢測需求的拓展模式：

基礎形貌成像模式

接觸模式：探針與樣品表面持續接觸，依靠原子間的排斥力工作。反饋系統會維持懸臂梁彎曲度恒定（即作用力不變），探針Z軸方向的運動記錄樣品形貌。該模式成像分辨率高，但探針在樣品表面滑動，可能損傷軟樣品（如生物大分子）。

非接觸模式：探針不接觸樣品，懸臂梁被驅動在共振頻率略高的位置振動。當探針靠近樣品時，長程范德華吸引力會使懸臂梁振幅減小，系統維持振幅恒定并掃描成像。此模式對樣品損傷小，適合脆弱樣品，但分辨率略低于接觸模式，操作難度較高。

間歇接觸模式（輕敲模式）：結合了接觸模式和非接觸模式的優點。懸臂梁在共振頻率附近振動，探針在每個振動周期中短暫“敲擊”樣品表面后離開。通過維持振幅恒定成像，既保證了分辨率，又避免了持續接觸對樣品的損傷，常用于生物大分子、聚合物等軟樣品檢測。

特殊功能拓展模式

橫向力顯微鏡（LFM）：基于接觸模式，通過檢測懸臂梁的扭轉程度來反映探針與樣品間的摩擦力分布，可用于分析樣品表面的摩擦特性。

靜電力顯微鏡（EFM）：給探針施加電荷，在非接觸狀態下探測樣品表面的電荷分布，適用于研究材料的電學特性。

磁力顯微鏡（MFM）：探針覆蓋永磁材料，可檢測樣品不同磁疇的磁力分布，常用于磁性材料的微觀磁結構分析。

相位成像模式：通過記錄懸臂梁振動相位的變化成像，相位變化與樣品的硬度、粘性等物理性質相關，能區分樣品表面不同組分的材質差異。

扭轉共振模式（TR模式）等智能模式：多為現代AFM的優化模式，可提升成像穩定性和效率，適配復雜樣品的高精度檢測。