原子力显微镜是一种常用的扫描探针显微镜，是利用探针和待测样品表面极微弱的原子间相互作用力来探究材料的表面信息的高灵敏度的仪器。它的基础功能是对材料表面的微观结构进行成像，分辨率能够达到原子级别。 图1给出了常用激光探测原子力显微镜的工作原理示意图。控制针尖和样品的作用力保持恒定，当针尖和和样品相对移动时，探针高度会随着样品表面原子的高起伏而变化，高度敏感的微悬臂感受到这个变化，其振幅会随之改变。激光器发出的激光聚焦在微悬臂的背面，并反射到一个由光电二极管阵列组成的检测器上，根据检测器光斑的位置可以判断微悬臂的振动振幅，进而知道样品表面的形貌信息。之后，检测器收集的信息传递给反馈回路，反馈回路根据这个信息来判断针尖在样品上的位置，进而适当的调整探针和被测样品间的距离，使探针和样品表面的距离保持在原子相互作用力的范围之内，因为距离太近针尖可能损坏样品，太远则不能探测到信息。
扫描探针
图1 原子力显微镜的工作原理示意图
根据针尖与样品之间的相互作用力是斥力还是引力，原子力显微镜的工作模分为为以下三类：
1）接触模式（Contact Mode，CM)
扫描过程中，针尖与样品表面原子的距离很近，相互作用力处于排斥区。大约10-10～10-6
N。这时针尖就有可能破环样品的表面因此这种模式比较适合硬度高的样品。高分辨的原子力显微镜使用这种模式，能够将分辨率提升到原子级别。
2）非接触模式（Non-contact Mode，NCM)
非接触模式下，针尖与样品表面原子的距离相对较远（5～10 nm），作用力处于引力区（10-12 N），不会损坏样品，适用于硬度低的材料表面表征。 3）敲击模式（Tapping Mode，TM）
针尖通过悬臂梁的振动周期性地敲击样品表面。针尖和样品作用力的范围在接触模式和非接触模式之间，不会损伤样品表面，适于扫描硬度低的、易碎的或粘性样品。
2、原子力显微镜在二维材料中的应用
原子力显微镜是目前二维材料精确的厚度测量和层数判断最主要的仪器，同时也是高精度判断二维材料表面形貌信息的仪器。其特点是适用范围广，表征过程中对材料没有损伤，对厚度和形貌信息的识别灵敏度高，是探究二维材料表面性质以及表面粗糙度不可缺少的仪器。
以下是应用原子力显微镜观察二维材料的实例。
图2和图3分别是研究者利用原子力显微镜对通过分子束外延技术生长出的二维材料SnS进行表征的图像。通过原子力显微镜可以判断生长材料在不同条件下生长的不同表面形貌，以确定某种材料生长的最适宜条件。
图2 不同Sn束流下生长的SnS表面形貌（AFM）图
图3 不同衬底温度下生长的SnS表面形貌（AFM）图
如图4所示，通过原子力显微镜还可以对材料的厚度进行判断。研究者用AFM测试了在SiO2衬底上的WSe2纳米片的厚度，单层WSe2的厚度在0.7-1.0 nm之间，从而确定WSe2纳米片的层数。此外，AFM表征也能够确定二维材料的尺寸。
图4 双层WSe2的AFM图
3、总结
原子力显微镜因其具有在纳米尺度成像和操纵结构的独特能力，在原子尺度的研究中发挥了非常重要的作用。AFM自发明以来经历了快速的发展，不仅可以测量材料的形貌，还可以测量材料的电学特性、化学结构、材料表面的硬度和刚度分布等，已经成为二维材料研究中的一种重要手段。
目前常见的对二维材料进行微观形貌表征的手段中，光学显微镜、SEM和TEM等电子显微镜具有表征内容单一、使用环境要求较高等缺点。功能化原子力显微镜作为具有纳米级分辨率的新型表征仪器，填补了纳米电介质研究中原子尺度及界面研究的空缺，克服了电子显微镜表征中存在的一些缺陷。
功能化原子力显微镜不仅可以提供样品的三维形貌图像，对电学、力学和化学结构等多方面特性进行表征，可在真空、空气、液体环境中实现对绝缘体、半导体、导体的表征，还可以对材料进行动态表征，为研究材料中电荷输运特性、极化过程等动态行为提供了很大的便利，甚至可以对材料进行表面加工以实现特定功能。
未来功能化原子力显微镜的快速发展将对二维材料的研究做出巨大献。
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