AFM-锁相电学成像-测试狗科研服务

常规 AM-KPFM（系统内置）与自搭建锁相系统的实测能力对照
空间分辨率	100 nm → 锁相 AM 模式 80 nm；FM / 外差模式可达 30 nm；高 k 阶（k≥2）可达 20 nm
电势对比度准确度	55%（常规）→ 锁相各模式稳定在 98–99%
等效噪声带宽	常规模式受限于系统采样与滤波，采集带宽内噪声累积 → 锁相模式可压缩至 83 μHz – 200 kHz 区间内任意设定
有限尺寸针尖效应悬臂串扰效应	常规模式下两者导致对比度下降、空间分辨变差；锁相模式下通过相敏检测与频率分离，显著抑制

测量模式	空间分辨率	对比度准确度	适用场景
AM（ω₁，常规）	100 nm	55%	信号较强的常规 KPFM
AM（ω₂，锁相）	80 nm	99%	弱信号表面电势成像，通用默认模式
FM（1 kHz）	30 nm	98%	需要更高空间分辨率的界面分析
外差（Heterodyne）	30 nm	98%	低信号水平样品，避免假信号
高 k 阶（k≥2）	20 nm	98%	超薄层、近表面效应、原子级结构
双调制（1 kHz / 外差）	30 nm	—	DFM 介电力 + 调制差，载流子与离子输运
3ω（外差）	30 nm	—	介电频谱、离子电导特征频率

HOPG（高定向石墨）	优点是导电，主要用于导电样品的测试
MICA（云母）	常用基底，提供一个平整平面，适合原子级结构成像
Si-chip（硅片）	常用基底，提供平整平面，可按参考文献或既往测试条件选取

Q1、锁相模式和普通 KPFM / PFM 到底有什么区别？

核心区别在于信号提取的方式。普通 KPFM 使用系统内置的信号处理，噪声抑制能力有限，在低导电性或弱信号样品上可能无法获得有效信号。

锁相模式通过外部锁相放大器（HF2LI）进行相敏检测和窄带滤波，只从极窄频带内提取信号的幅值与相位。等效噪声带宽可压缩到 Hz 级甚至 mHz 级，信噪比通常提升 10 ~ 100 倍。

实际测量中，锁相模式还带来两个附带优势：空间分辨率从 100 nm 提升到 80 nm（FM / 外差可达 30 nm，高 k 阶可达 20 nm），电势对比度准确度从 55% 提升到 98–99%。

尤其适合：低导电性样品（有机半导体、固态电解质）、微弱电势差检测（<10 mV）、高分辨率电学成像（256×256 以上）、PFM 中的弱压电信号。

Q2、适合使用锁相 KPFM 的样品类型有哪些？

钙钛矿太阳能电池薄膜：KPFM 测晶粒表面电势分布，DFM 测形貌，评估晶界钝化效果
二维材料异质结（MoS₂ / WS₂ / 石墨烯等）：KPFM 测界面电势差，分析层间耦合与电荷转移
碳陶瓷复合材料、不导电涂层：KPFM 测表面电势，无需导电处理
半导体器件截面（p-n 结、异质结等）：KPFM 测截面电势分布，读出界面势垒宽度
固态电解质与锂电池：弱信号表面电势，3ω 模式离子电导，辅助老化机制分析
有机电子材料：锁相模式在微弱信号提取上的优势最为突出
催化材料、耐腐蚀涂层：DFM 测形貌，KPFM 测功函数
碳纳米管、量子点薄膜：导电类型（P/N 型）与载流子浓度定量

如果不确定，可联系技术经理进行样品预评估。

Q3、KPFM 需要样品导电吗？不导电样品能测吗？

KPFM 与样品导电性无关。KPFM 通过探针与样品之间的电容耦合测量表面接触电势差（CPD），不需要样品内部形成电流回路。不导电的碳陶瓷复合材料、高分子薄膜、氧化物绝缘层等均可直接送样测试。DFM 形貌模式同样不要求导电。

需要注意区分的是：DFM 的载流子相关测量（载流子浓度、电导率、导电类型判定）在原理上需要导电通路，对样品要求高于 KPFM；具体请在下单前与技术经理确认。

另外，由于 KPFM 不要求导电，一般不建议喷金，金颗粒有一定尺寸，喷金会对形貌产生影响，也可能掩盖样品本征的功函数信息。

Q4、锁相参数（时间常数、AC 电压、调制频率、相位）应该怎么选？

锁相参数需要根据样品信号强度、期望分辨率和扫描速度综合选择，基本原则如下：

参数	选择原则
时间常数 τ	像素停留时间应 ≥ 5τ。建议最大值：256×256 @ 1 Hz → τ ≤ 780 μs；512×512 @ 0.5 Hz → τ ≤ 390 μs。τ 再大将导致图像拖尾。
灵敏度（Sensitivity）	设为信号幅值的 3 ~ 10 倍。先测一段快速预览线，根据信号大小再设定。
相位（Phase）	通过调相使 Y 归零校准。正确的相位校准能确保信号能量集中于 X 通道，否则读数会出现系统性偏差。
调制频率	电激励 KPFM 推荐 10 ~ 50 kHz；PFM 推荐与悬臂接触共振频率匹配。
滤波器阶数	HF2LI 支持 1–8 阶（斜率 6–48 dB/Oct）。高阶滤波器可在不牺牲时间常数的条件下压低噪声，但相位延迟与拖尾需评估。
AC 电压	机械驱动振幅典型 60 mV，针尖电压振幅典型 1 V；参考值：HOPG 测试中解调带宽 150 Hz、反馈增益 1 k、机械驱动频率 113.2 kHz（ω₁）。

具体参数由技术经理根据您的样品与研究目的制定，不需要您自行设定。

Q5、AFM 测试范围最好小于多少？一般能测多大？

建议测试区域小于 20 × 20 μm（常规项目的稳妥范围）。主机 X & Y 闭环扫描范围为 30 μm，单次最大支持 80 × 80 μm。

常用规格：10 × 10 μm、20 × 20 μm、50 × 50 μm。如果测试区域在 1 × 1 μm 以下，需要与技术经理提前联系确认方案。

Q6、AFM 测试数据有几种格式？需要什么软件分析？

数据格式	打开软件	说明
.spm	NanoScope Analysis	推荐，功能最全，支持完整的通道查看、剖面与统计
.mdt	IA（Image Analysis）	标准格式，兼容性广
.txt / .csv	Origin / Excel	原始数据表格，可自行分析与作图

测试完成后我们会提供数据文件。如需深度数据分析（电势分布统计、畴尺寸定量、电流分布图、晶界电势差提取等），可联系工作人员沟通。

Q7、AFM 粉末样品制样的常用基底有哪些？

常用基底有 3 种：

HOPG（高定向石墨）：优点是导电，主要用于导电样品的测试
MICA（云母）：提供平整平面，适合原子级结构成像
Si-chip（硅片）：提供平整平面，可根据参考文献或之前的测试条件选取

送样时请务必备注分散液、超声时间及配制浓度，这些条件直接影响分散效果与最终成像质量。

Q8、为什么 AFM 测试中样品表面粗糙度不能太大？

一般 AFM 测试中，常规形貌等模式要求样品起伏不超过 5 μm，特殊的电学、力学等测试模式要求样品起伏不超过 1 μm。

表面起伏过大，一方面可能超出仪器测试范围，另一方面可能导致跳针、针尖受损或污染，从而影响图像质量、增加损耗成本。此外，起伏过大会显著增加锁相测量的噪声，使弱信号样品的信噪比进一步恶化。

具体到电学模式：DFM 要求表面起伏 ≤ 5 μm（Ra 最佳 10~200 nm）；KPFM 要求表面起伏 ≤ 1 μm（Ra 最佳 10~200 nm）。

Q9、对于导电性不佳的样品，是否需要喷金处理？

AFM 的常规测试模式对样品导电性没有要求；KPFM 通过电容耦合测量，同样不要求样品导电。因此一般不建议喷金。

原因是：① 金颗粒有一定尺寸，喷金会对表面形貌产生直接影响，干扰形貌与电势的对应关系；② 喷金会改变样品表面的本征电学状态，使测得的功函数/表面电势失去代表性；③ 对不导电涂层而言，喷金会使结果无法反映涂层真实状态。

锁相 KPFM 的优势正在于免导电处理，样品测完可回收。

Q10、这台设备具体是什么型号？有哪些配套模式？

AFM 主机为 Asylum Research Cypher 全自动快速扫描原子力显微镜（牛津仪器），锁相放大器为 Zurich Instruments HF2LI 50 MHz 双通道锁相放大器（苏黎世仪器）。两台设备均为测试狗自营实验室自有采购、自有运营。

关键指标：X&Y 闭环范围 30 μm、高度噪声 <15 pm、XY 传感器噪声 <60 pm；HF2LI 频率范围 DC – 50 MHz、采样率 210 MSa/s、输入噪声 5 nV/√Hz、动态储备 120 dB、时间常数 1 μs – 500 s、6 个双相解调器。

标配模式包含 Contact、DART PFM、EFM、KPFM、PFM、FM、LFM、MFM、Phase imaging、Force mapping（含 Fast Force Mapping Mode）等；可选装 CAFM、ESM、sMIM、nanoTDDB、STM、AM-FM 黏弹性成像等。详细参数见上方项目介绍板块中的仪器介绍。

Q11、锁相模式相比常规模式，能保证多少倍信噪比提升？

平台给出的指标是最高提升 100 倍（HF2LI 等效噪声带宽可压缩至 mHz 级）。实际提升幅度取决于样品本身：信号越弱、样品导电性越低，提升越明显。

在本页六个实测案例中，可以直接看到不同样品类型下的实际表现：

案例	常规模式表现	锁相模式表现	提升
HOPG	CPD 量程 0.28–0.27 V（10 mV）	CPD 量程 1.23–0.99 V（240 mV）	动态范围 24 倍信噪比提升 64 倍
钙钛矿薄膜	SP −162 ~ −198 mV（36 mV）	SP −175 ~ −277 mV（102 mV）	2.8 倍
LiPON	1.35–1.28 V，晶界被噪声覆盖	同量程，噪声基底显著降低	背景更干净
MoS₂–Au	界面弥散（15 mV）	界面锐利（12 mV）	边界可定
GaN/GaAs	300 mV 量程下层间过渡平缓	层间边界锐利 + 缺陷区显现	界面可辨
器件横截面	800 mV 大量程下部分层间过渡模糊	同量程下六层结构逐层对应 + Phase 通道	层结构可辨

需要说明的是，锁相不会改变被测物理量本身，它降低的是本底噪声。所以锁相模式下测得的电势差数值与常规模式接近（如 MoS₂–Au 的 15 mV 与 12 mV），区别在于同样的信号被更干净、更可重复地记录下来。

Q12、可以只测形貌，不做电学测试吗？

可以。Cypher 支持纯形貌与力学模式（Contact mode、Tapping mode、Force mapping、AM-FM 黏弹性成像等），无需接入锁相放大器即可测量。

但需要注意样品要求差异：纯形貌/力学模式的样品起伏要求为 ≤ 5 μm，而 KPFM、DFM 等电学模式要求 ≤ 1 μm。若样品起伏较大，建议先做形貌模式确认表面状况，再决定是否进入电学测试。

Q13、样品多久能测完？数据什么时候交付？

常规项目平均 7 个工作日完成。若涉及特殊模式（如原位工况、DFM 频谱、高 k 阶扫描），周期会相应延长，技术经理会在下单前说明。

交付内容：原始数据文件（.spm / .mdt / .csv）+ 形貌与电势双通道图像 + 关键参数记录（时间常数、调制频率、AC 电压、反馈增益）。如需深度数据分析（电势分布统计、畴尺寸定量、晶界电势差提取等），可联系工作人员另行沟通。

Q14、服务有哪些保障？

① 7 天无理由免费复测：订单完成后 7 天内对结果存疑，可申请同条件免费复测。每单限 1 次，单次需小于 5 个样品，且必须为同样品。更换条件或参数不参与复测保障；私人定制、云视频测试不享受此服务。

② 注意事项：若因样品自身问题（样品有问题、选错测试条件等），不享受此服务。建议下单前联系工作人员确认样品风险与测试方案。

③ 数据交付标准：按 SCI 期刊发表规范交付，支持云现场远程查看与现场参观。

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