原子力显微镜(AFM)已经成为一个强大的技术跨越许多部门，是一种提供一个准确的地图表面的地形和性质在原子水平。在过去的几十年里，它的适用性已经在许多领域得到了发展，尤其是在纳米技术领域，它已经成为纳米材料分析的主要技术。
有许多技术被用来分析纳米材料，但那些可行的是那些可以提供纳米尺度的测量和显微技术，可行的技术是那些可以提供纳米分辨率的技术。由于原子力显微镜是一个原子一个原子地分析表面，所以它的原子分辨率对于分析纳米材料和体积较大的材料的表面(在纳米尺度上)都是非常有利的。在众多的分析技术中，原子力显微镜是最适合分析纳米材料的技术之一，也是应用最广泛的技术之一。
AFM是什么?
AFM是一种特殊的表面成像方法，其操作与其他显微镜方法不同。有许多不同的AFM成像模式。有些模式只是成像材料表面原子的相对位置，而其他成像模式则提供材料表面的性质和表面形貌的信息。在确定性能的情况下，大多数成像模式将首先扫描地形，然后进行第二次扫描以确定性能。每一种扫描都产生一个表面的可视地图，它们可以叠加在一起，以突出不同的原子区域及其特定的属性(如导电区域和绝缘区域)。
在操作原理方面，原子力显微镜使用由压电悬臂和原子尖组成的探针来扫描材料表面。当尖端扫描表面时，尖端和表面之间的分子间引力将尖端拉向表面。在某些模式下，尖端接触表面，但在非接触模式下，尖端向表面移动而不接触表面(后者用于较软的材料，但由于大多数纳米材料是硬的，所以接触模式是最常见的)。
在扫描过程中，激光被定向到悬臂臂的背面。因此，每当悬臂梁向表面移动时，激光束就会相对于原子的位置和偏转的程度发生偏转。这是记录在一个位置敏感光电二极管(PSPD)。在整个扫描过程中，每个原子都会发生这种情况，而且每当悬臂发生偏转时，都会通过反馈回路将其复位到起始位置。
AFM和纳米材料
原子力显微镜非常适合于纳米材料的分析，因为它可以用于分析所有的纳米材料，以及纳米材料应用的许多方面。除了表面的形貌，许多不同的成像模式意味着可以确定纳米材料(或纳米尺度的表面)的各种特性，包括表面的机械、电气、介电、光学和热特性。在许多对大块材料的分析中，所获得的信息可能只对材料的表面是正确的，特别是当它是一个活动表面时，因为在整个材料中的性能可能不一样。但是纳米材料具有固有的厚度，这意味着表面所显示的特性(在许多情况下是活性表面)通常适用于整个纳米材料。在分析2D材料时，这一点变得更加确定，因为在这些场景中分析的材料本质上是单个活动表面(如果是单层2D材料)。
除了纳米材料的基本特性外，原子力显微镜还可用于探测使用纳米材料的材料和器件的特性。这方面的一个很好的例子是纳米电子设备和组件。AFM可以用来推断器件的性能和器件内活性材料的基本性能。其范围从映射任何压电和铁磁域，到局部介电特性，以及查看设备是否可能发生任何电流泄漏或电气故障。这只是几个例子，但是理解纳米电子和传统电子设备的纳米级特性对于理解该设备的安全性和效率是至关重要的。
原子力显微镜还可以与各种纳米制造方法一起用于操纵各种纳米材料的结构和性能，并帮助在纳米材料表面建立新的拓扑特征。这些方法可以采用AFM尖端本身对纳米材料表面进行化学修饰的形式，也可以采用AFM与电子束光刻和蘸笔光刻一起从纳米材料中物理地去除原子。除了改变表面的性质外，这些方法还可用于在纳米材料表面产生特定的图案。原子力显微镜也可以用来测量操作方法对纳米材料的影响。
——文章发布于2019年12月11日
