引言

原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）的垂直分辨率在亚纳米量级，探针与样品之间的距离变化会被如实记进图像。这个量级下，任何缓慢的相对位移都会显示出来。使用者说的「图像在漂」，实际混着几种不同的现象，来源与处理方式都不一样。

厂商的设施要求通常只给定性条件。以 Bruker Dimension 系列为例，安装条件里对振动的表述是需要振动隔离台，或一体化的隔振与隔声罩，没有给出速度限值。判断交给现场，实际要做什么取决于本机测到的谱。这与电镜厂商直接列出三段限值的写法不同，可以参考蔡司 GeminiSEM 的振动限值写法作对照。

本文把漂移拆成四类，给出分辨的方法，再讲振动这一路的处理顺序。场地本身有多少振动、怎么先测一遍，是测量环节的事，方案要等这一步做完才谈得上。

一、漂移的四种来源

1.1 热漂移

显微镜由金属、陶瓷、玻璃与复合材料拼成，各材料的热膨胀系数不同。环境温度有微小波动，或者激光照射在悬臂与样品上产生局部热量，各部件按各自的系数伸缩，探针与样品的相对位置就缓慢移动。

这类漂移的方向单一、速率平缓，与扫描动作无关。空调启停、人员进出、照明开启都会改变它的速率，这也是为什么同一台设备在上午和下午的表现可能不同。抑制的办法只有一个方向，让系统达到热平衡再测量，并在测量期间保持环境稳定。

1.2 压电蠕变与迟滞

扫描器靠压电陶瓷伸缩定位。给一个电压，陶瓷会先快速位移一段，再在一段时间内继续沿同方向缓慢移动，这叫蠕变。迟滞则是位移量依赖此前的电压历史，升压与降压走的是两条不同的曲线。

蠕变在图像上的特征是起始处畸变。刚开始扫描或刚移动到新区域时，前几行的特征被拉伸或压缩，随扫描进行逐渐恢复正常。这个现象在扫描范围切换后尤其明显，因为它对应一次较大的电压跳变。

1.3 机械松弛与样品自身变化

样品台、探针夹持器、线缆的固定件都存在装配应力，应力释放的过程是缓慢的。样品本身也会变，在空气中吸水、挥发、发生化学反应，或者高分子样品自身的链段运动，都会让表面形貌在几分钟到几小时内改变。

这一类漂移与设备无关，换一台 AFM 结果相同。判断方法是换一个稳定样品（云母、高定向热解石墨）复测，如果漂移消失，问题在样品侧。

1.4 低频振动造成的表观漂移

这是最容易被误判的一类。建筑与地面的低频振动，以及隔振平台未调平带来的缓慢倾斜，会在图像上表现成缓慢的位移，看上去与热漂移一样。

区别在于时间结构。热漂移是单调的，一直朝一个方向；低频振动会带来往返的分量，在连续扫描的同一位置反复测量时，位移会来回摆。把扫描停掉、只记录探测器信号一段时间，看基线是否在缓慢摆动，就能分开这两类。

二、先分清是漂移还是振动

2.1 看位移是否与扫描同步

振动与扫描动作有耦合。扫描线错位、条纹、锯齿状边缘，都随扫描速度与扫描方向变化。漂移不随扫描参数变化，它只随时间走。

一个简单的对比：把扫描方向反过来扫同一区域，漂移造成的图像畸变会跟着翻转，振动造成的条纹则停留在固定的位置。这个对比不需要额外仪器，改一个参数就能做。

2.2 停掉扫描，只看信号

把扫描关掉，探针停在某一点，记录光电探测器的信号若干分钟。这条曲线里包含三样东西：热漂移带来的缓慢基线移动，低频振动带来的周期性摆动，以及电子噪声。

对这条曲线做频谱，0.1 到 2Hz 之间有峰，说明建筑或地面的低频振动进了系统；几赫兹到几十赫兹有峰，多半是泵组、风机、压缩机；宽带抬高则是气流与声学噪声。这条曲线的分辨率比扫描图像高，因为它不受扫描速度限制。

2.3 用标准样品区分设备与样品

云母或高定向热解石墨的原子级平整表面是常用的参照。在这类样品上仍然漂移，问题在设备或环境；不漂了，问题在原来的样品。这一步能把 1.3 类排除掉，剩下的再按频段处理。

三、振动在图像上留下什么

3.1 扫描线错位与条纹

AFM 是逐行扫描成像，快轴扫一行，慢轴前进一行。任何在行与行之间发生的位移，都会让相邻两行对不齐，表现为斜向条纹、边缘重影、特征被拉成条状。位移发生在扫描一行的时间尺度内，条纹就细密；发生在多行之间，就成片。

这类误差在台阶边缘与颗粒样品上最容易看出来，因为那里有陡峭的对比。平坦表面上条纹不明显，但噪声底会被抬高。

3.2 低频与高频的表现不同

低频振动与高频振动在图像上的样子差别很大，处理手段也不同。

低频段之所以难处理，是因为它离气浮平台的固有频率近。气浮平台的固有频率标称在 1.5 到 3Hz，这一段的隔振效率有限，甚至会放大。判据仍要回到频谱上，先确认峰值落在哪一段，再谈方案。VC 曲线的分级与频段定义见VC 曲线与电镜振动等级的对应关系，用它做场地之间的横向比较比较方便。

四、隔振配置怎么定

4.1 按超标频段选，不按设备类别选

AFM 的型号差异很大，扫描器结构、样品台形式、是否带声学罩都影响它对振动的响应。按「AFM 就该配什么」来选，容易选到覆盖不到实际峰值的方案。

判断顺序是先测后选。测出超标的方向与频段，再对照方案的起始频率。主被动两种方案的分工与频段边界，见主动隔振与被动隔振的边界。

4.2 桌面场景与地面场景

AFM 多数装在实验台上，台面高度与人体工学决定了它不适合直接放在落地平台上，桌上型方案与落地平台是两条路。

来源：HERZ TS-150、AVI 系列与 UNICORN HS 华山、GS 冈山系列产品资料。气浮平台的固有频率标称值同负载与实际使用情况相关，表中给出的是资料标注范围。

桌上型方案的负载上限是个硬约束。AFM 本体加上隔声罩、样品台与配重，容易接近或超过 150kg，选型前要把这些一起算进去，不能只按主机重量。

4.3 声学与气流要一起处理

隔振台处理的是地基传递路径，对空气路径没有作用。AFM 的悬臂对声压与气流都敏感，空调出风口正对设备、人员走动带起的气流，都会在图像上留下噪声。

厂商的设施要求里把隔声与隔振写在一起，正是这个原因。实践中的做法是给设备加声学罩，把空调出风口调开，避免频繁开关门。声压级超标时先查声源与围护，不要先去调隔振参数，这一点与电镜的处理顺序一致。

五、装好之后怎么验收

5.1 三个测点都要测

地面、隔振台台面、扫描头附近，三处的数据要分别记录。只测台面看不出隔振台本身的传递特性，只测地面则无法确认设备本体是否放大了振动。

测点位置要写进记录，因为同一台设备在不同高度的读数可以差出数倍。取值的口径也要统一，时域有效值与频谱峰值不是一回事，混用会让前后两次测量无法比较。

5.2 热平衡之后再做基线

设备开机后需要一段热平衡时间，扫描器、激光器、控制器都在发热。在这段时间内测到的漂移速率偏高，不能作为基线。

可用的做法是开机后连续记录位移曲线，等到速率趋于平稳再取数，并把这条曲线存档。后续出现「图像在漂」的反馈时，与这条基线对比，能快速判断是环境变了还是设备本身出了问题。

六、常见问题

问：AFM 图像缓慢漂移，一定是振动引起的吗？

答：不一定。漂移有四类来源，热漂移、压电蠕变、机械松弛与样品自身变化、低频振动。前两类与设备和温度有关，第三类与样品有关，只有第四类需要从隔振入手。停掉扫描看探测器信号的基线是否摆动，是区分第四类与前几类最快的方法。

问：气浮平台能不能解决 AFM 的低频漂移？

答：看频段。气浮平台的固有频率标称在 1.5 到 3Hz，对 2Hz 以上的振动效率较高，对 1Hz 以下的分量作用有限，甚至可能放大。如果频谱上的峰值落在 1Hz 以下，需要主动隔振方案，或者主动加被动的组合。

问：为什么刚切换扫描区域时图像会变形？

答：这是压电蠕变。扫描器在一次较大的电压跳变后，会在同方向继续缓慢移动一段时间，起始的几行因此被拉伸或压缩，随扫描进行逐渐恢复。改用带线性化功能的扫描器，或先在新区域连续扫描一条线，等信号稳定后再成像，都能减轻这个现象。

问：隔振台装好之后，还需要做别的处理吗？

答：需要。隔振台只处理地基传递路径，空气路径要另外处理。声压与气流会在图像上留下噪声，常见做法是加声学罩、避开空调出风口、减少人员走动。厂商的设施要求通常把隔振与隔声写在同一项里。

问：测出来的漂移速率多少算正常？

答：没有通用值。漂移速率与环境温度稳定性、扫描器结构、样品状态都相关，不同机型之间无法直接比较。可行的做法是为每台设备建立自己的基线，在热平衡之后测一次并存档，后续按同一口径复测比对，而不是套用别人的数字。

七、结语

处理「图像在漂」的反馈，顺序是三步。先停掉扫描看基线，把热漂移、蠕变与低频振动分开；再对超标的分量做频谱，确认峰值落在哪一段；最后按频段选方案，而不是按设备类别套模板。三步之前还有一步，场地本身有多少振动要先测出来，方法见实验室楼板振动自查方法。

现场条件还会带来别的约束。台面承重不足、房间层高受限、设备连同声学罩超过桌上型方案的负载上限，这些会改变支承方式的选择。产品页里有各系列隔振模块与气浮平台的参数、负载分档与频段覆盖，可以按超标频段对照查看。

参考文献

1. Bruker. Dimension Edge 原子力显微镜设施要求。（振动隔离：需要振动隔离台或一体化隔振与隔声罩）
2. AFMHelp. Scanner Artifacts: Piezo Creep；Other Artifacts: Sample Drift。（蠕变与样品漂移的图像特征及判别方法）
3. Carpick, R. W. The Study of Contact, Adhesion and Friction at the Atomic Scale by Atomic Force Microscopy. University of Pennsylvania。（压电陶瓷位移响应量级、建筑振动幅值与空气隔振系统的有效频段）
4. IEST-RP-CC012.2, Considerations in Cleanroom Design。（VC 曲线限值与测量频段）
5. 《建筑工程容许振动标准》GB 50868-2013。（精密仪器与显微镜的容许振动值）