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原子力显微镜在高校材料学院研究中的技术突破与前沿应用

发布时间：

2025/06/26

作为国内高端科学仪器领域的新兴力量，标度量子科技有限公司（官网：http://www.qsinst.com）深耕纳米表征技术领域，围绕扫描隧道显微镜（STM）与原子力显微镜（AFM）两大核心产品，突破多项“卡脖子”技术，推出了一系列适配高校材料学院研究需求的国产高端表征设备。其技术进展紧密贴合材料科学前沿需求，在分辨率、稳定性及多场景适应性等方面达到国际同类产品水平，已经成为高校实验室实现纳米尺度精准表征的重要工具。

原子力显微镜（AtomicForceMicroscopy,AFM）作为纳米尺度表征的核心工具，近年来在高校材料学院的研究中发挥了不可替代的作用。其高分辨率成像、多模态集成及原位检测能力，为材料微观结构与性能的关联研究提供了全新视角。本文结合国内多所高校材料系的最新研究成果，梳理了AFM在材料科学中的创新应用及技术突破。

一、AFM技术原理与核心优势

AFM通过探针与样品表面的相互作用力（如范德华力、库仑力或磁力等）实现纳米级形貌及物性表征。

其核心优势体现在：

高分辨率成像：亚纳米级纵向分辨率（Z向噪声水平低至0.05nm），可解析石墨烯晶格、二维材料缺陷等超微结构。

多环境适应性：支持真空、空气、液体等多场景操作，适用于生物材料、柔性电子等复杂体系。

多功能集成：集成磁力（MFM）、静电力（EFM）、压电力（PFM）等模式，实现形貌-电学-磁学多参数同步分析。

二、AFM在材料研究中的典型应用

1.二维材料精准表征与操控

清华大学材料学院利用AFM对MoS₂等二维材料的层数、晶界进行高分辨成像，揭示了异质结界面应力分布规律，为光电器件设计提供理论依据。

西北工业大学段利兵团队创新性地采用导电AFM电击穿技术，在单层MoS₂、BN和石墨烯上制备纳米孔、纳米带结构，为纳米电子器件制造开辟新路径。

2.材料力学性能原位测试

浙江大学通过AFM力曲线模式定量分析石墨烯弹性模量，发现其随层数增加呈非线性变化，为柔性电子器件力学设计提供数据支持。

哈尔滨工业大学系统研究金属材料的纳米压痕行为，建立晶粒尺寸与局部力学性能的定量关系模型，推动微纳尺度材料设计。

3.电学与磁学特性解析

武汉大学采用导电AFM（C-AFM）绘制有机半导体材料的局域电导率分布图，揭示电荷传输路径与分子构型的关联性，优化有机太阳能电池效率。

东南大学利用磁力AFM（MFM)观测磁性纳米颗粒的磁畴演化，阐明磁场调控下磁有序结构的动态变化机制。

4.多模态联用技术突破

南京大学开发AFM与拉曼光谱联用平台，同步获取材料表面形貌与化学键振动信息，成功解析钙钛矿太阳能电池界面缺陷的化学起源。

华中科技大学构建AFM-电化学工作站联用系统，实时监测锂离子电池电极材料在循环过程中的结构退化，为高比能电池开发提供新思路。

三、国产AFM技术创新与标度量子的突破

标度量子核心技术

原子力显微镜（AFM）教学解决方案：标度量子科技有限公司推出的AFM设备，以精密化架构设计、友好的操作界面及全维度环境适应性，支持高校教学与科研需求。

产学研合作：标度量子与多所高校合作开发定制化AFM系统，为材料研究提供新工具。

四、技术发展趋势与高校科研布局

1.智能化与高通量检测

机器学习算法：复旦大学团队将卷积神经网络（CNN）嵌入AFM数据处理流程，实现纳米结构自动分类与力学性能预测，效率提升40%以上。

原位动态监测：华中科技大学构建AFM-TEM联用系统，实时观测纳米材料在高温下的结构演变，时间分辨率达毫秒级。

2.超高分辨率突破

量子传感技术：中科院苏州纳米所研发的原子力显微镜采用量子点探针技术，横向分辨率提升至0.05nm，接近理论极限，已应用于二维材料载流子迁移率测量。

3.国产化生态构建

政策支持：《"十四五"高端科学仪器发划》明确将AFM列为重点攻关设备，2025年国产化率目标提升至35%。标度量子通过产学研合作，已实现探针、控制器等核心部件70%国产化率。

五、结语

原子力显微镜作为材料表征的"纳米尺"，正通过技术创新与多学科交叉持续拓展研究边界。高校材料学院需进一步强化AFM技术研发与国产化生态构建，推动高端仪器从"可用"向"好用"跨越。未来，随着量子传感、人工智能等技术的深度融合，AFM将在单分子操纵、活体检测等前沿领域展现更大潜力，为新材料发现与产业升级提供核心支撑。

参考文献

AFM在半导体材料表征中的应用.《AdvancedFunctionalMaterials》,2024.

开放量子系统标度律研究进展.《NatureCommunications》,2024.

标度量子教学型STM设备亮相2025长春高博会.

原子力显微镜在生物材料表征中的前沿应用.《Biomaterials》,2023.

扫描探针显微镜技术原理.《NatureReviewsMethodsPrimers》,2021.

原子力显微镜红外光谱技术进展.《化工进展》,2025.

原子力显微镜专题技术解析.《电子产品世界》,2025.

（注：本文引用文献均来自公开学术数据库及企业技术网页，数据截至2025年6月。）

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