01 原子力显微镜（AFM）工作原理概述
AFM是一种基于探针－样品间微弱相互作用力（范德华力、静电力、磁力等）进行扫描成像的高分辨表面分析技术。其核心原理是利用微悬臂梁上的尖锐探针（针尖半径约2－20 nm）在样品表面进行raster扫描，通过检测悬臂梁的微小偏转或振动频率变化，经反馈系统调控探针高度，从而重构出样品表面的三维形貌信息。AFM兼具纳米级空间分辨率（横向分辨率通常可达0.5～2 nm，纵向分辨率优于0.1 nm）与多物理场耦合表征能力，可在空气、液体、真空等多种环境中工作。
图1 原子力显微镜工作原理
02 AFM功能简介
AFM系统集成了接触模式（Contact）、峰值力轻敲模式（PF－Tapping）、定量纳米力学模式（PF－QNM）、开尔文探针力显微镜（KPFM）、导电原子力显微镜（C－AFM／PF－TUNA）、压电力显微镜（PFM）、静电力／磁力显微镜（MFM／EFM）及电化学原子力显微镜（EC－AFM）等多种功能模块，能够同步实现表面形貌（粗糙度）、相位分布、纳米力学性能（杨氏模量、粘附力）、表面电势、磁畴、静电力、局部电流分布、铁电／压电响应及原位电化学反应过程的定量表征，成为研究能源材料表面物理化学性质、界面结构及构效关系的核心技术手段。
SEI膜的力学性能直接决定碱金属负极的枝晶抑制能力，但传统表征难以获取纳米尺度的定量数据。本研究利用AFM峰值力定量纳米力学模式（PF－QNM），通过探针压入－回退过程记录力－位移曲线，实现了SEI垂直结构的原位纳米力学定量测量。对于浸泡或单电位步电化学剥离－沉积（ESP）处理的锂表面，AFM精准测量杨氏模量，区分出外层软区（3.5 GPa，有机富集）与内层硬区（168 GPa，无机富集），量化＂刚柔并济＂的力学梯度（图2a－f）。进一步通过多电位步ESP处理，可构建出具有无机－有机－无机（I－O－I）三层结构的SEI，其力曲线表现出独特的弹塑性－断裂行为（图2g－i）。该三明治结构同样呈现＂刚柔并济＂特征：中间有机层缓冲形变，内外无机层抵抗穿刺。力学数据与XPS深度剖析相互印证，阐明不同结构SEI均能使Li负极在高电流密度下稳定循环的本质原因。AFM力曲线将SEI研究从＂化学组成分析＂推进到＂力学结构设计＂维度，为下一代高安全电池界面工程提供了不可替代的表征手段。（Nat． Commun． 2018， 9， 1339）
图2． SEI层的AFM力学性能表征。 （a） 浸泡锂表面的典型力－位移曲线。（b） 对应AFM形貌图（色标：0–0.5 μm）。（c） 80条力曲线的杨氏模量统计直方图，插图为力－压痕深度二维直方图。（d–f） ESP单电位步处理锂表面（O–I结构SEI）的力－位移曲线、AFM形貌图（色标：0–1 nm）及杨氏模量统计。（g–i） ESP多电位步处理锂表面（I–O–I结构SEI）的力－位移曲线、力－压痕深度曲线（插图为AFM形貌图，色标：0–2 nm）及不同区域杨氏模量分布（基于30条力曲线）。（Nat． Commun． 2018， 9， 1339）
04 EC－AFM模式在锂金属负极动态过程研究中的典型应用
除静态力学表征外，AFM原位电化学模式（EC－AFM）可直接观测动态界面演化。原位AFM可视化揭示LiPAA智能SEI层的自适应界面调控机制：本研究利用原位原子力显微镜（EC－AFM）在纳米尺度实时追踪了锂金属负极在剥离／沉积过程中的界面动态演变。如图3所示，原始锂负极在剥离过程中因非均匀溶解产生凸起结构（图3b左）；随后在沉积过程中，苔藓状枝晶迅速生长，10分钟内尺度增至1.5 μm（图3c，d），直观证实了静态SEI层在动态体积变化下的机械失效。相比之下，LiPAA修饰负极在相同条件下始终保持平整均匀的表面形貌，界面起伏控制在100 nm以内（图3e–g）。AFM的关键作用在于：直接观测到LiPAA聚合物SEI通过高弹性形变（582％应变）实现＂自适应界面调节＂，以纳米级精度证实了柔性SEI对锂枝晶的抑制作用，为长寿命锂金属电池的设计提供了不可替代的界面力学证据。（Angew． Chem． Int． Ed． 2018， 57， 1505 –1509）
图3． 原位EC－AFM表征。 （a） 原位AFM电池示意图。原始锂金属负极在剥离（b）和沉积（c）过程中的AFM图像。相应的平均高度曲线（d）。LiPAA－Li负极在剥离（e）和沉积（f）过程中的AFM图像，以及对应的高度曲线（g）。（Angew． Chem． Int． Ed． 2018， 57， 1505 –1509）
05 AFM在牙本质矿化界面表征中的典型应用
除能源材料外，AFM在生物材料界面表征中同样发挥关键作用。本研究采用AFM Peak Force Tapping与Contact模式，定量表征了TA＠PN矿化体系对脱矿牙本质的修复效能。AFM形貌扫描清晰显示，TA＠PN组矿化后表面3D拓扑与健康牙本质高度一致；基于Hertz模型拟合力－位移曲线，测得TA＠PN组杨氏模量恢复至18.58 GPa，接近健康牙本质（20.06 GPa），而脱矿牙本质仅约3 GPa；同时表面粗糙度降至250 nm，与健康牙本质相当。AFM从纳米形貌－力学性能－表面粗糙度三个维度，精准验证了该矿化体系构建＂类天然牙本质＂矿物－胶原复合结构的能力，为生物矿化材料的界面性能评价提供了不可替代的定量表征手段。（ACS Biomater． Sci． Eng． 2025， 11， 9， 5512–5526）
图4． （A₁–F₁） 健康牙本质、EDTA酸蚀牙本质、TA、PN、TA＠PN和CPP－ACP各组牙本质圆片矿化7天后的AFM图像。右侧插图分别为A₁–F₁中选定区域（黄色圆圈）的单根牙本质小管高倍放大图像。（A₂–F₂） 由A₁–F₁得到的3D形貌图像。（G） 各组粗糙度数据。（H） 各组杨氏模量数据。（I） 各组显微硬度数据。（ACS Biomater． Sci． Eng． 2025， 11， 9， 5512–5526）
06应用小结
总之，原子力显微镜凭借其纳米级空间分辨率与多物理场耦合表征能力，在能源材料、电池电极界面、催化剂、纤维复合材料、生物材料及二维功能材料的表界面研究中展现出独特优势。无论是SEI膜的动态演变监测还是牙本质矿化界面表征，AFM都为材料微观失效机制的研判与性能优化提供了关键数据支撑。此外，AFM可与SEM、XPS、TEM、Raman等技术形成多维度互补，构建从原子尺度到宏观性能的完整表征体系，为高性能能源材料与催化剂的研发提供有力支撑。
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