原子力显微镜（AFM） 是表征石墨烯最直接、最常用的技术之一，核心用于精确测量层数、表面形貌、粗糙度及力学性能。单层石墨烯的厚度为０.335 nm，在垂直方向上有约１nm的起伏，且不同工艺制备的石墨烯在形貌上差异较大，层数和结构也有所不同，但无论通过哪种方法得到的最终产物都或多或少混有多层石墨烯片，这会对单层石墨烯的识别产生干扰，如何有效地鉴定石墨烯的层数和结构是获得高质量石墨烯的关键步骤之一。今天小编主要为大家介绍石墨烯的AFM测试。
图1 AFM工作原理图
关于AFM的原理这里就不多说了，目前常用的AFM工作模式主要有三种：接触模式，轻敲模式以及非接触模式。这三种工作模式各有特点，分别适用于不同的实验需求。
本文中石墨烯的原子力表征采用轻敲模式（TappingMode）：
轻敲模式介于接触模式和非接触模式之间，是一个杂化的概念。悬臂在试样表面上方以其共振频率振荡，针尖仅仅是周期性地短暂地接触/敲击样品表面。这就意味着针尖接触样品时所产生的侧向力被明显地减小了。因此当检测柔嫩的样品时，AFM的敲击模式是最好的选择之一。一旦AFM开始对样品进行成像扫描，装置随即将有关数据输入系统，如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰顶之间的最大距离等，用于物体表面分析。
AFM表征石墨烯原理
AFM可用于了解石墨烯细微的形貌和确切的厚度信息，属于扫描探针显微镜，它利用针尖和样品之间的相互作用力传感到微悬臂上，进而由激光反射系统检测悬臂弯曲形变，这样就间接测量了针尖样品间的作用力从而反映出样品表面形貌。因此，表征方法主要表征片层的厚度、表面起伏和台阶等形貌，及层间高度差测量。
原子力显微技术是判定是否是石墨烯的最好的表征方法，因为能够直接用它就能观察到石墨烯的表面形貌，同时还能测出此石墨烯的厚薄程度，然后再与单层的石墨烯的厚度进行对比，从而确定是否存在单层石墨烯。除可精准测量石墨烯单层与双层的层间高度外，还能对以石墨烯为代表的各类二维材料的力学性质与电学性质实现微观尺度的精准表征与测量。
图2 单层石墨烯的结构效果图和其AFM图像
AFM表征石墨烯的优点
单层石墨烯理论厚度很小，在扫描电镜中很难观察到。原子力显微镜是表征石墨烯片层结构的最有力、最直接有效的工具。标度量子AFM-NanoTech 10可以清晰的反映出石墨烯的横向尺寸、面积和厚度等方面的信息。
由于石墨烯厚度仅为1个至几个原子层，晶体的缺陷和表面吸附物质的不同，都会引起表征结果的不同。在实际研究中，往往需要根据需要选取合适的表征方法把得到的结果互相比较，互相印证才能得到关于石墨烯的准确信息。
图3 标度量子AFM-NanoTech 10测试双层石墨烯，厚度约1.5nm
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