样品弹性的力振幅和相位成像

AFM悬臂的机械调制导致探针-样品力产生振荡，从而能够根据悬臂调制的振幅和相位偏移来表征样品的纳米机械特性。FMM的振幅和相位对探针和样品表面之间的局部弹性、摩擦力和粘附力的变化敏感。因此，FMM能够同时获取样品形貌的图像和局部纳米机械特性，从而允许在复合样品（如聚合物混合物）中对材料组分进行定性区分。

为了引入悬臂的机械调制，驱动压电陶瓷会以预定义的频率施加周期性的垂直振荡，这被称为“驱动信号”。而在真正的非接触模式和轻敲模式中，振荡悬臂的振幅范围在10到50纳米之间。然而，根据经验，力调制显微镜（FMM）采用小于10纳米的较小振幅，以防止探针和样品受损。对于软样品，建议使用力常数较低的悬臂。

图1. FMM的工作原理示意图。**当探针以接触模式扫描表面时，会对探针施加振动的机械驱动信号。检测到的交流（AC）偏转的FMM振幅和相位可解析出样品纳米机械特性的特殊变化。

在FMM中测量的悬臂偏转信号包含直流（DC）和交流（AC）分量。DC信号代表平均悬臂偏转，与接触模式下的静态偏转相当，并被Z反馈用于维持探针和样品之间的平均力恒定，从而生成形貌图像。AC信号包含样品对力调制的响应，因此包含纳米机械信息，如图1所示。此AC信号的振幅，即FMM振幅，对样品刚度敏感：硬表面会通过偏转调制来放大振荡，从而导致振幅增加；而软表面会部分吸收振荡，导致振幅减小。驱动与检测到的调制悬臂偏转之间的相位偏移，即FMM相位，取决于样品的粘附性和弹性特性。通常，FMM相位对样品表面的弹性特性比FMM振幅更敏感。

FMM的一个常见应用是区分聚合物复合材料中材料分布的变化。图2显示了在硅基底上测量的无定形聚苯乙烯（PS）和低密度聚乙烯（LDPE）混合物的FMM测量结果。图2（a）中的AFM高度图像与图2（b）和（c）中的FMM信号同时测量，显示了两种组成聚合物的表面形貌和结构差异。另一方面，FMM振幅和FMM相位图像以明显的对比度显示了样品表面上PS和LDPE的分布：图2（b）中FMM振幅的明亮区域表示较硬的化合物PS，而暗区域表示LDPE，它比PS更软，因此具有更低的FMM振幅。与形貌相比，FMM图像允许基于它们不同的纳米机械特性来识别每种化合物。因此，FMM提供了关于复合样品中组成和材料分布的更详细信息。

图2. 在PS-LDPE混合物上进行FMM测量，根据聚合物的纳米机械特性可视化复合分布。（a）AFM高度显示两种聚合物的不同表面形貌，（b）FMM振幅和（c）FMM相位允许识别较硬的PS（在FMM振幅中为明亮区域，在FMM相位中为暗区域）和较软的LDPE（在FMM振幅中为暗区域，在FMM相位中为明亮区域）。

图3. 在切割后不同时间对晶体面表面进行FMM测量，基于定性机械信息揭示原始表面在暴露于空气和湿度后的降解情况。在切割后立即进行的AFM高度和FMM振幅测量（a）和（b），以及3小时后的测量（c）和（d）。

图3展示了使用力调制显微镜（FMM）对晶体面进行的额外机械性能研究。首先，测量了新鲜切割样品表面的形貌和FMM响应。随后，将该晶体面暴露于空气和湿度中。在暴露3小时后，通过FMM在同一位置探测了表面的定性机械性能，以解析表面成分的变化。图3（d）中的FMM振幅清晰地捕捉到了在原始晶体表面上形成的较软化合物，表现为暗振幅对比度。

除了FMM模式（用于基于定性机械性能成像材料分布）之外，力-距离（FD）光谱技术（如FD体积成像和PinPoint纳米机械模式）也提供了定量机械性能。（有关定量机械性能测量的更多信息，请参见“FD模式说明”和“PinPoint纳米机械模式说明”。）