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突破光学衍射极限，富睿思微纳精密量测解决方案
时间：2026-09-07
原子力显微镜（AFM）通过扫描探针与样品表面的相互作用，可以突破光学衍射极限，在亚纳米尺度实现样品表面形貌与物性检测。
依托自主研发的技术底座，富睿思构建了桌面型科研级原子力显微镜和针对8英寸、12英寸及米级尺寸样品检测的原子力显微镜产品体系，为亚纳米级无损检测提供国产化解决方案。
01 富睿思微纳精密量测解决方案：原子力显微镜（AFM）
（1）AFM-Piccolo 桌面型科研级原子力显微镜
技术参数：
配备超薄测头，测头有效厚度<8 mm
开放空间，易与拉曼、光学轮廓仪等光学系统同轴集成联用
XYZ扫描范围100 μm × 100 μm × 5 μm/15 μm，Z向噪音RMS≤0.04 nm
（2）AFM-Baritone 200 mm机台原子力显微镜
技术参数：
适用于8英寸以内晶圆及其他样品的形貌和物性检测
配备全自动XY二维样品台，支持自动换针、自动调光
XYZ扫描范围100 μm × 100 μm × 15 μm，Z向噪音RMS≤0.05 nm
（3）AFM-Tenor 300 mm机台原子力显微镜
技术参数：
适用于12英寸以内晶圆及其他样品的形貌和物性检测
配备全自动XYRz三轴样品台，支持自动换针、自动调光
XYZ扫描范围100 μm × 100 μm × 15 μm，Z向噪音RMS≤0.05 nm
除上述产品外，富睿思还提供：
（4）AFM-Tuba 超大机台原子力显微镜：针对米级尺寸样品开发的工业型自动化原子力显微镜，配备定制化大型运动平台和机械手，可用于显示面板、先进封装等大尺寸样品的在线无损检测。
（5）AFM-Tuner 晶圆级计量型原子力显微镜：针对晶圆级样品开发的计量型原子力显微镜，配备300毫米全自动样品台和集成多路激光干涉仪的三维扫描式测头，可用于各类几何标样的计量校准。
欢迎访问富睿思仪器官网了解更多详情：www.frsinst.com。
02 多模式表征：AFM多维检测能力
富睿思原子力显微镜支持形貌成像以及磁学、电学、力学等多维物性表征，可满足不同材料和器件的检测需求。
（1） 形貌成像
△LTPS晶粒
△图形化蓝宝石衬底（PSS）
△晶圆标准片表面结构
△SiC原子台阶
（2）磁力显微镜（MFM）
△Fe₃GaTe₂表面磁畴
（3）静电力显微镜（EFM）
△SRAM表面静电分布
（4）开尔文探针力显微镜（KPFM）
△MoS₂功函数
（5）压电力显微镜（PFM）
△锆钛酸铅（PZT）材料的回字图形
△SrTiO₃面内压电畴
（6）导电原子力显微镜（C-AFM）
△磁盘表面的电流分布
03 关于富睿思仪器
富睿思仪器（FreeSpirit Instruments）创立于2021年，是一家专注于表面精密测量设备研发与生产的高科技创新企业。
立足于自主研发的技术底座，公司已推出多款具有核心知识产权的原子力显微镜（AFM）、白光轮廓仪（WLI）以及原子力显微镜-白光轮廓仪联用系统（AFM-WLI）等，并已成功交付国内头部高校、科研院所以及工业企业。
富睿思仪器致力于为前沿科研、化合物半导体及新型显示等领域，提供稳定、可靠的国产精密量测解决方案。
官方网站：www.frsinst.com
咨询报价/测样：李经理18994392037
公司邮箱：info@frsinst.com
办公室分布：北京、上海、天津、苏州、成都
相关案例展示
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从h-BN的表面形貌到表面电势，揭示原子力显微镜（AFM）在二维材料领域的强大应用2025-05-06二维材料（2D Materials）作为21世纪材料科学的重要突破之一，以其独特的结构和优异的性能，在电子、能源、传感、光电子、医疗、环境等领域展现出革命性的应用潜力。尽管目前仍面临制备、稳定性、集成等多方面的挑战，但随着技术的不断进步和研究的深入，二维材料有望在未来几十年内推动多个行业的技术革新，成为构建下一代智能、柔性、高效器件的核心基础材料。
石墨烯（Graphene）、过渡金属二硫化物（如MoS₂）、黑磷（BP）、六方氮化硼（h-BN）、MXene、二维过渡金属碳/氮化物等都是二维材料的典型代表。AFM凭借其高空间分辨率、多模态测量能力、对样品的低损伤性以及在多种环境下的适应性，在二维材料的基础研究、性能表征和器件应用探索中，发挥着核心作用，尤其是在厚度测量、表面形貌、纳米力学、纳米电学特性和异质结构分析等方面，AFM是最为关键的表征手段之一。
以下以h-BN为例，为大家介绍采用富睿思原子力显微镜测试的二维材料的典型结果。如下图所示，是扫描范围为10 μm的六方氮化硼（h-BN）的形貌图像和表面电势图像，从形貌图像中可以分析出该h-BN单层的厚度约为0.3 nm，平整处表面粗糙度约为0.4 nm，表面电势图像中可以明显地看到经过特殊处理的h-BN内部表面电势的不规则分布。通过对h-BN厚度、表面粗糙度、表面电势的分析可以为层数对电子及晶格结构的影响、掺杂效应引起的局域功函数变化提供直观的数据支撑。
h-BN表面形貌图像（纵坐标单位：nm）
h-BN表面电势图像（纵坐标单位：mV）
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光学-原子力联用系统在二维材料研究中的应用初探2026-03-31
自石墨烯问世以来，二维材料研究热已持续了超过二十年。这类厚度只有一个或几个原子层的超薄晶体（广义上也包含多层叠堆形成的纳米片）因其厚度尺寸带来的量子限域效应，具有显著区别于块体材料的奇特理化性质，被普遍认为将在下一代微电子器件、储能、柔性显示与传感等领域扮演关键角色。近年来，学术界对二维材料的关注点主要聚焦于大面积低缺陷生长工艺、特性调控及器件制备技术，而原位多物理量表征需求亦逐步凸显。
光学检测技术和原子力显微术是二维材料最常用的两类表征手段。二维样品通常平面尺寸较大，且厚度差异会带来颜色变化，天然地适合光学观察；而材料的光学和光电特性研究本身也依赖于各类激光与光谱技术。原子力显微镜（AFM）则具有空间分辨力方面的显著优势，不仅是二维材料厚度测量的行业公认标准，也是原位力学和电磁特性测量的关键工具，AFM特有的纳米操纵功能更使其成为了转角电子学研究的利器。
目前大多数实验室的光学检测系统和AFM是相互独立的，样品在不同设备之间的传递和微区定位存在显著不便，而分立系统也无法实现光、机、电等多种物性的同步关联测量。
造成这一缺憾的根本原因在于经典架构的AFM测头体积较大，与高倍率的物镜相互干涉，此外AFM的光杠杆光路对显微光路也有一定干扰。市面上为数不多的拉曼-原子力联用系统一般采用物镜斜置或共用物镜方案规避空间冲突。然而前者的不足在于信号收集效率较低且不易调节，后者则因光杠杆和显微光路耦合在一起，用户很难自行改造和扩展。
针对上述问题，富睿思提供了一种更为灵活的解决方案。
图1 富睿思原子力显微镜AFM-Piccolo的超薄测头
富睿思旗下的AFM-Piccolo桌面型超薄测头原子力显微镜采用独特的扁平式光杠杆光路设计，使得整机小巧轻薄，可直接放置于既有的光学系统中快速与之形成光学-原子力原位联用设备。得益于不足8 mm的测头厚度（如图1）以及开放的探针顶部空间，该机型组成的联用系统可使用更大数值孔径的正置物镜且光学测量效果完全不受AFM的影响。
图2 左：光学图像；右：AFM图像
图2展示了AFM-Piccolo和配备50×物镜的光学显微镜对同一片二维铁电材料（CuInP2S6）的原位对比成像结果。光学图像中，该样品在氧化硅衬底上呈现为深蓝色，AFM测得样品厚度在12~15 nm之间，据此可推测衬底氧化层的厚度约200~240 nm。
图3 RDM-AFM联用系统
图3所示为AFM-Piccolo和反射差分光谱显微镜（RDM）组成的联用系统结构图。RDM是一种对材料光学各向异性极为敏感的显微技术，它通过测量入射光在两个正交偏振方向上的反射率差值确定晶体的主轴方向。这种技术也常被用于判断二维材料的层数，检测材料内部的应变以及某些表面缺陷。由于RDM使用垂直入射的偏振光，AFM-Piccolo探针正上方无镜片及其他部件遮挡的优势显得尤为关键。而AFM-Piccolo主控制器S-Controller（图4）丰富的外设接口也为系统中多部电机的协同控制提供了便利。
图4 富睿思原子力显微镜主控制器S-Controller
图5 ReS2的AFM测量结果（左：光学辅助定位；中：AFM形貌；右：AFM功函数）
图6 ReS2的RDM测量结果（a.宽波段反射差分信号；b.晶轴方向拟合；c.角分辨差分图像）
图5、6给出了上述RDM-AFM联用系统对二维ReS2样品的原位测量效果。ReS2具有特殊的非对称结构，原子呈链状排列，表现出强烈的面内各向异性特征，是制作偏振器件的理想材料。本实验中，AFM用于获取该样品的三维形貌和功函数，RDM则完成了晶轴方向的判断和宽波段差分信号的扫描。由AFM测量结果可知该样品功函数略低于金衬底（衬底功函数被假定为5.1 eV），表明材料与衬底可能形成欧姆接触；材料厚度达到200~300 nm，但RDM结果仍可见显著的各向异性，说明厚度对ReS2的光学特性影响很小。
上述联用系统中的RDM部分由天津大学精仪系胡春光、沈万福团队提供，博士生王瑞彤、硕士生李业勤和富睿思共同完成了联用系统的调试和初步实验工作。本文呈现的是该系统获得的第一个实验数据，更多有趣的结果将在未来持续推送，敬请期待。
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