--- title: "原子力显微镜扫出的凸起为什么会变宽" description: "AFM 用悬臂受力控制扫描高度。针尖形状、样品压入和反馈速度，都会改变图中凸起的宽度与高度。" canonical_url: "https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/atomic-force-microscope/" language: "zh-CN" page_type: "story" alternate_languages: en: "https://sandboxphysics.com/stories/instruments/atomic-force-microscope/" last_modified: "2026-11-03" --- [物理仪器怎样测量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/) 走进仪器 # 原子力显微镜扫出的凸起为什么会变宽 AFM 扫描图中的一个凸起，同时留下了样品和探针的形状。探针侧面可能先碰到凸起，反馈回路也需要时间抬高探头。图里记录的高度，是仪器为保持受力而作的移动。 Sandbox Physics · 2026-11-03 ## 先让细针和表面轻轻接触 把一根很细的针装在柔软悬臂的末端，让它沿表面移动。遇到凸起，针受到向上的推力，悬臂便弯起来。只要知道悬臂有多硬，就能把弯曲量换成力。原子力显微镜，简称 AFM，正是用这类微小相互作用探查表面。 这根悬臂很小，仪器通常用光来读它的弯曲。激光照到梁面，再反射到分区光探测器上。梁面稍稍倾斜，反射光的方向就改变，两个半区接收到的光也随之变化。这种把小角度放大成光斑位移的办法叫光杠杆。它读到的是梁的响应，距离样品的形貌图还差一个反馈过程。 来源：[1] [2] ## 高度来自扫描器怎样追随力信号 接触扫描常把悬臂挠度维持在一个设定值。受力太大，扫描器就抬高探头；受力太小，就把它降低。探针一行行扫过表面，仪器把扫描器上下移动的记录排成图像。这个回路需要有限时间响应，所以扫描器高度和挠度误差通常都值得保存。 一处窄凸起很适合观察这种响应。慢慢经过时，扫描器来得及升高，再回到原位；扫得太快，抬高还没完成，探针已经越过顶端。图中的凸起可能变矮，边缘位置也会偏移。对同一位置改变扫描速度，能帮助判断这部分变化是否来自跟踪滞后。 来源：[2] [1] ## 针尖侧面也能先碰到凸起 即使反馈足够快，有限大小的针尖仍会改变图像。想象用一根圆头针去描一个很窄的凸点：针的侧面先接触凸点，针尖中心此时还在旁边。针中心记录出的凸起就比样品本身更宽。若换成更钝的针，展宽通常更明显。 这是一种接触几何效应。给定样品形状和针尖轮廓，可以寻找每个横向位置上刚好不穿过表面的最低针尖高度。由这些高度得到的包络，在数学上属于几何膨胀。它说明为什么知道针尖形状有助于解释扫描图，也说明窄沟槽可能根本没有被针尖触到。 若台阶上下的平台都足够宽，针尖能在两边分别落稳，两平台的高度差仍可保留，边缘附近的轮廓却会展宽。更换针尖后，可以把平台中央与边缘分开比较。已知台阶适合校准高度，专门的尖锐结构则能帮助估计针尖轮廓。结合这些独立信息，才能更稳妥地解释图中的边界。 来源：[3] [2] ## 力曲线补上表面怎样变形的信息 软表面还会被探针压下去。让探头在一个位置缓慢接近，再向后撤，保留位移和挠度，就得到接近与回撤曲线。把探测器信号换成挠度、再换成力，需要分别校准光读出和悬臂刚度；扫描器的位移尺度也要清楚。 在平坦、无黏附、弹性变形较浅的条件下，可以用球形接触模型，把力与压入量联系起来。针尖半径和刚度的不确定都会传到材料参数中。真实样品若出现黏附、塑性或黏弹性，接近和回撤可能不重合，分析就需要加入相应过程。 AFM 还有让探针反复接触表面的工作方式。共振轻敲通常用振幅作反馈，离共振周期力方式则可控制每次接触的峰值力；两者读取的信号不同。无论采用哪种方式，理解一张图都要顺着力、悬臂、探测器和反馈回路追到最后。 来源：[4] [1] ## [比较针尖展宽与反馈滞后](https://sandboxphysics.com/zh/labs/atomic-force-microscope/) 先改变扫描速度，再换一根较钝的探针，比较保留高度与挠度误差。 模型用有限针尖、局部弹性接触、光杠杆和离散反馈生成计数与扫描记录，重建的是表观高度。 ## 来源与延伸阅读 1. [Bruker — The Definitive AFM Modes Handbook, EB103 Rev. A3, 2026](https://www.bruker.com/content/experience-fragments/bruker/int/en/form/salesforce/bns-form/bns/special-afm-modes-e-book-gate/_jcr_content/root/contentpar/container_copy_copy_/after-content/twocolumns_901880076_733343957/contentpar-1/calltoaction.download-asset.pdf/primaryButton/WEB%20-%20EB103%20Rev%20A2%20AFM%20Modes%20Handbook_2025-BRUKER.pdf) 文件名较旧，实际下载为二〇二六年 A3 版；第七、十三至十五页说明光束挠度读出、接触反馈、共振振幅调制及离共振峰值力控制。 2. [Nanosurf — How does AFM work?](https://www.nanosurf.com/en/support/how-does-afm-work) 原理、灵敏度校准与反馈章节把悬臂弯曲、探测读出及扫描速率误差连在一起。 3. [J. S. Villarrubia — Algorithms for Scanned Probe Microscope Image Simulation, Surface Reconstruction, and Tip Estimation, J. Res. NIST 102, 425–454 (1997)](https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/102/4/j24vil.pdf) 引言与第三节、第四二八至四二九页说明有限针尖的几何膨胀，以及解释扫描表面时为何需要针尖信息。 4. [JPK/Bruker — A practical guide to AFM force spectroscopy and data analysis](https://www.bruker.com/de/products-and-solutions/microscopes/bioafm/library-assets/a-practical-guide-to-afm-force-spectroscopy-and-data-analysis/_jcr_content/root/sections/section/sectionpar/twocolumns/contentpar-2/calltoaction.download-asset.pdf/primaryButton/jpk-tech-force-spectroscopy.14-2.pdf) 第三至五页区分接近回撤相互作用，说明硬表面读出校准、扫描器响应与独立弹簧刚度校准。 [游标怎样读出毫米的零头](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/length-metrology/) [空气也会托住天平上的物体](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/precision-balance/) [Cavendish 怎样量出两个球的引力](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/cavendish-balance/) [液柱究竟在量哪一边的压强](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/manometer/) [杯子也在吸热，怎样量出样品的比热](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/calorimeter/) [转得更费劲，液体就更黏吗？](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/rotational-rheometer/) [管口外的空气怎样改变共振](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/resonance-tube/) [地震仪怎样从机壳里的运动读出地面](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/seismometer/) [电表接上以后，电压为什么变了？](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/electrical-meters/) [检流计归零时，电阻怎样显出读数](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/resistance-bridges/) [电容为什么也会像电感](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/lcr-impedance/) [示波器上的慢波是怎样冒出来的](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/digital-oscilloscope/) [锁相放大器怎样找出埋在噪声里的信号](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/lock-in-amplifier/) [频谱里的小峰会从哪里来](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/spectrum-analyzer/) [网络分析仪怎样把电缆和器件分开](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/vector-network-analyzer/) [石英晶体慢了，怎样判断它是否变重了](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/quartz-microbalance/) [交叉色散怎样把重叠的谱阶铺开](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/echelle-spectrograph/) [只量总亮度，怎样分出许多颜色](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/ftir-spectrometer/) [用一束光量出溶液有多浓](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/uv-vis-spectrophotometer/) [椭偏仪怎样从反射光里读出薄膜厚度](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/spectroscopic-ellipsometer/) [偏振仪怎样看出样品把光混在了一起](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/mueller-polarimeter/) [一颗颗光子怎样告诉我们荧光寿命](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/tcspc-fluorescence-lifetime/) [布里渊显微镜怎样用光听见材料里的声波](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/brillouin-microscope/) [白色积分球怎样比较一盏灯的总输出](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/integrating-sphere-radiometer/) [粉末的圆环怎样显露原子间距](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/powder-xray-diffractometer/) [小角X射线散射怎样从光晕看颗粒](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/small-angle-xray-scattering/) [X 射线荧光为什么要看样品厚度](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/xray-fluorescence-spectrometer/) [小压痕怎样分开硬度与弹性](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/nanoindenter/) [差示扫描量热怎样读懂一个熔化峰](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/differential-scanning-calorimeter/) [热重分析怎样把失重与气体托力分开](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/thermogravimetric-analyzer/) [金刚石对顶砧怎样从红宝石的光读出压力](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/diamond-anvil-cell/) [金刚石怎样从荧光里读出磁场方向](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/nv-center-magnetometer/)