火狐体育首页进入:qPlus型原子力显微镜技能

　　扫描探针显微镜首要包括扫描地道显微镜和原子力显微镜，其运用尖利的针尖逐点扫描样品，可在原子和分子标准上获取外表的描摹和丰厚的物性，改动了人们对物质的研讨范式和根底认知。近年来，qPlus型高质量因子力传感器的呈现将扫描探针显微镜的分辩率和灵敏度面向了一个新的水平，为化学结构、电荷态、电子态、自旋态等多自在度的精细勘探和操控供给了史无前例的时机。文章首要扼要介绍原子力显微镜的开展前史和根本作业原理，然后要点描绘qPlus型原子力显微镜技能的优势及其在单原子、单分子和低维资料系统中的运用，最终展望该技能的未来开展趋势和潜在运用。

　　要害词扫描探针显微镜，原子力显微镜，qPlus力传感器，高分辩成像，原子分辩

　　显微镜是人类知道微观国际的最重要东西之一。光学显微镜的诞生让人们第一次看到了细菌、细胞等用肉眼无法看到的细小物体，然后翻开了簇新的国际。可是，因为光学衍射极限的约束，光学显微镜的空间分辩率一般限制于可见光波长的一半左右(约300 nm)，很难用于分辩纳米标准下更纤细的结构，更无法用于调查物质最根本的原子结构排布。要想进一步进步勘探的空间分辩率，一种途径是减小勘探波的波长，比方扫描电子显微镜便是运用波长更短的电子波来进行成像。另一种途径是采纳近场的局域勘探，比方近场光学显微镜及其他根据局域彼此效果勘探的扫描探针显微镜。能够幻想，要想取得更高的空间分辩率，就需求对样品的勘探愈加局域，即“探针”顶级满意尖，最好只要探针和样品最挨近的几个原子能够发生彼此效果，“感触”到互相。这种彼此效果可所以电子波函数的交叠或许原子效果力等。

　　1981年，Binnig和Rohrer创造晰扫描地道显微镜(scanning tunneling microscope，STM)，STM是根据勘探针尖和样品之间的地道电流来进行空间成像的东西。因为地道电流正比于针尖顶级几个原子与衬底原子的电子波函数的交叠，对针尖与样品之间的间隔十分灵敏，因而能够取得原子级的空间分辩率。STM的创造，使得人们能够在实空间直接调查固体外表的原子结构，因而荣获1986年的诺贝尔物理学奖[1]。可是，STM依赖于地道电流的勘探，无法用于扫描绝缘样品，因而运用范围受到了极大的约束。

　　风趣的是，在前期的STM试验中，研讨人员发现当针尖和样品比较近而呈现地道电流时，会一起发生较强的彼此效果力。Binnig意识到经过丈量针尖与样品原子之间的彼此效果力也可用来对样品外表成像。1986年，他提出了根据勘探针尖和样品之间原子效果力的新式显微镜——原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)[2]，并随后与Quate和Gerber建立出了第一套能够作业的AFM[3]。三人于2016年取得了Kavli纳米科学奖。

　　AFM是根据针尖与样品之间原子效果力的勘探，不需求样品具有导电性，因而能够用于研讨包括金属、半导体、绝缘体等多种资料系统，大大弥补了STM的研讨限制。此外，AFM还能够在大气和液体环境中作业，具有很好的工况条件和生物系统兼容性。这些优势使得AFM成为纳米科学范畴运用最广泛的成像东西之一。可是，AFM并不像STM那样在创造之初就取得了原子级分辩率，而是直到5年之后(1991年)，慵懒固体外表的原子分辩成像才得以完成[4，5]。

　　近年来，因为qPlus力传感器的引进，AFM的空间分辩才能得到了极大的进步。经过针尖润饰，人们能够愈加简单地取得原子级成像，乃至完成氢原子和化学键的超高分辩成像。接下来，本文将扼要介绍常见AFM的根本作业原理，然后侧重介绍根据qPlus力传感器的AFM(简称qPlus-AFM)及其在各种系统中的运用，最终展望qPlus-AFM在物理和其他范畴的潜在运用和面对的应战。

　　现在运用最为广泛的是激光反射式AFM，其典型的结构示意图如图1(a)所示[6]。最中心的部分是力传感器，它一般是一个由微加工技能制备的能够振动的悬臂(常用的资料是硅或许氮化硅)，悬臂的结尾有一个与悬臂梁一体的尖利针尖，悬臂的反面镀有一层金属以到达镜面反射。当一束激光照射到悬臂上，光斑被反射到一个对光斑方位十分灵敏的光电勘探器上。当针尖扫描样品外表时，因为针尖与样品之间存在彼此效果力，悬臂将随样品外表描摹的崎岖而发生不同程度的曲折形变，因而反射光斑的方位也会发生改动。经过光电二极管检测光斑方位的改动，就能取得被测样品外表描摹的信息。

　　图1 AFM作业的根本原理[6] (a)典型激光反射式AFM的结构示意图；(b)超高真空下针尖与样品的彼此效果力Fts及各成分力与针尖—样品间隔z的联系

　　在超高真空环境中，针尖与样品之间的彼此效果力(Fts)与针尖—样品间隔z之间典型的联系曲线(b)所示。Fts大致能够分为长程力和短程力，长程力一般包括范德瓦耳斯力和静电力等，其衰减长度一般为几纳米或许几十纳米。短程力首要包括来自针尖和样品之间构成化学键的效果力和因为针尖—样品电子云交叠发生的泡利排挤力，其衰减长度一般约为0.1 nm左右。长程力对间隔不灵敏，很难分辩较小的外表崎岖，要想取得较高的空间分辩率，需求让短程力的奉献占主导。在特别的环境下，针尖和样品之间的彼此效果力还包括机械触摸力、毛细力、磁场力、卡西米尔力、水合力等。

　　AFM有多种作业办法，一般分为静态办法和动态办法，后者包括非触摸办法和轻敲办法两种(图2(a))。

　　在静态办法下，针尖以拖拽的办法在样品外表扫描并记载外表的描摹崎岖改动，因而也叫触摸办法。悬臂的形变量为q=Fts/k (k为悬臂的劲度系数)，为了进步力勘探的灵敏度，一般运用较软(k较小)的悬臂。为了防止较大的吸引力引起针尖发生“突跳”现象，静态办法首要作业在短程的排挤力区间(图2(b))，因而空间分辩率较高。但这种办法下针尖和样品之间的彼此效果力较大，简单对较软的样品发生损坏。

　　图2 AFM的作业办法[6] (a)触摸办法、非触摸办法和轻敲办法的示意图；(b)不同办法的大致作业范围(区别并不严厉)；(c)悬臂在频率调制和振幅调制办法下的共振曲线。人们也常常把振幅调制办法称为轻敲办法，把频率调制办法称为非触摸办法

　　在动态办法下，悬臂被压电陶瓷励振器驱动以共振频率振动，当振幅A满意大使得回复力k∙Amax(Fts)时能够防止“突跳”现象的发生。动态办法有轻敲办法和非触摸办法两种。轻敲办法相似于瞎子运用手杖行走，其振幅比较大，一般从几纳米到一百多纳米，首要的力的奉献来历于针尖间隔样品很近乃至触摸的时分。这种办法对样品的损坏小，适用于不同的资料，是现在AFM运用最为广泛的办法。可是这种办法因为包括较多的长程力奉献，因而一般较难取得原子级分辩。此外，因为轻敲办法下振幅较大，丈量振幅改动的信噪比较高，这种办法一般运用起伏调制(amplitude modulated，AM)，即以固定频率和振幅的鼓励信号来唆使悬臂振动，针尖和样品的效果力会引起悬臂振幅(及相关于鼓励信号的相位)的改动，将丈量的振幅(或相位)的改动作为反应信号能够获取样品外表的描摹信息(图2(c))。

　　非触摸办法的振幅一般是几纳米或埃的量级，针尖在振动进程中不会触摸样品，因而能够防止对样品的扰动或许损坏。非触摸式AFM除了能够运用AM办法外，还能以频率调制(frequency modulated，FM)办法作业。这其实与收音机的AM和FM办法原理相似，仅仅作业的频段不同。在FM办法下，悬臂坚持相位和振幅不变，针尖和样品的效果力引起悬臂振动频率的改动，丈量振动频率的改动能够得到样品外表描摹的信息(图2(c))。

　　AM和FM办法下悬臂的共振频率改动的呼应时刻[7，8]别离约为τAM=Q/(πf0)，τFM=1/(2πf0)，其间Q是悬臂的质量因子，f0为悬臂的本征振动频率。由此可见，AM办法的呼应时刻会随Q因子的添加而线性变大，而FM办法的呼应时刻不受Q因子的影响。在超高真空低温环境中，悬臂的Q因子会比大气环境下添加几十倍，这使得AFM对力的灵敏度及信噪比会有很大进步，但也会使得AM办法下AFM的呼应时刻大幅延伸，导致扫描成像需求很长的时刻。因而，AM办法(轻敲办法)首要被用于大气或许液体环境中。Q因子的添加对FM办法下AFM的呼应时刻没有影响，所以FM办法是超高真空环境下被广泛运用的作业办法，即坚持高Q因子的一起还能确保较高的扫描速度。

　　在FM办法下，AFM直接勘探的信号是针尖—样品彼此效果力引起的悬臂频率偏移∆f，运用公式[9]可进一步转化为彼此效果力Fts。频率偏移对应的相对噪音，因而能够用δkts的办法来表明FM办法下AFM丈量中4种首要的噪音来历，别离为[10]

　　其间kB为玻尔兹曼常数，T是温度，B是与扫描速度对应的带宽，nq是悬臂偏转信号勘探的噪音密度，r 是频率的漂移速率，N是扫描图画的像素数。由上述式子可知，k越小，4种噪音都更小，因而在满意k∙Amax(Fts)的前提下，挑选的k越小越好；Q越大，会使得第一和第三种噪音更小，但过大的Q会使得悬臂在FM办法下的安稳起振难以坚持；振幅A越大，前三种噪音都更小，但A太大会引起短程力奉献大幅减小的问题(见下节)。

　　在FM办法下，AFM勘探的频率偏移∆f，能够转化为权重函数w(z,A)和针尖—样品彼此效果力的梯度的卷积[11]。如图3所示，w(z,A)是与振幅A和间隔z相关的半椭圆，kts是力Fts与z曲线的梯度，也呈现为勺子形，仅仅最低点对应的间隔z有所不同。可见，当振幅较大时，长程力对频率偏移的奉献占主导；跟着振幅减小，短程力的奉献变大。当振幅与短程力的衰减长度(亚埃级)挨近时，更简单得到原子级分辩率[10]。

　　传统AFM力传感器一般选用微加工制备的硅或许氮化硅悬臂，其劲度系数较小(约1 N/m)，力的勘探灵敏度高。为了能勘探短程力然后完成高空间分辩，往往需求让针尖挨近外表，然后导致“突跳”的发生。为了防止“突跳”引起的针尖损坏，需求悬臂在较大的振幅下作业。可是，大的振幅会使长程力的奉献添加，引起AFM的空间分辩率大大下降。

　　图4 石英音叉和qPlus力传感器实物图 (a)，(b)手表中拆出来的石英音叉[12]；(c)第一代qPlus力传感器的实物图(图片来自德国雷根斯堡大学Giessibl课题组)[13]；(d)第四代qPlus力传感器的实物图(图片来自北京大学江颖课题组)[6]

　　要想战胜上述对立，完成在小振幅下作业的一起而不引起“突跳”的发生，则需求运用劲度系数k较大的悬臂。石英音叉是被广泛用于手表中的计时元件(图4(a)，(b))[12]，劲度系数高，可发生极高精度的振动频率(一般为32—200 kHz)，且具有很高的Q因子。此外，其悬臂的形变能够运用石英的压电效应以电学的办法来直接勘探，不需求激光系统，更简单兼容低温环境。前期，人们一般是在石英音叉的一个悬臂上粘上针尖来作为力传感器运用。可是，两个悬臂(相当于两个耦合的谐振子)因为质量和受力的不对称性导致Q因子大起伏下降，严峻下降了AFM的信噪比。1996年，Giessibl将音叉的一个悬臂固定在质量很大的基底上，而在另一个自在的悬臂上粘上针尖以作为AFM力传感器，这样把两个耦合的谐振子变成单个独立的谐振子，能够坚持较高的Q因子，且Q因子简直不受针尖—样品彼此效果力的影响。因而，这种力传感器被称为qPlus力传感器[13](图4(c))。现在，qPlus力传感器现已经过了四代的晋级和改善，最新的版本是直接规划单个石英悬臂作为力传感器(图4(d))。

　　典型的qPlus力传感器与广泛运用的微加工硅悬臂力传感器的首要参数比照见表1。能够看到，qPlus力传感器悬臂的劲度系数高得多(一般约1800 N/m)，因而其力灵敏度一般情况下低于硅悬臂。可是，qPlus力传感器能够在非触摸办法下，以极小的振幅(约100 pm)近间隔扫描样品，而不会呈现“突跳”现象。因为qPlus-AFM的振幅能够与短程力的衰减长度挨近，因而短程力的奉献十分大，愈加简单取得超高的空间分辩率。最近，郊野等经过优化规划qPlus力传感器，将Q因子进步到140000以上，最小振幅小于10 pm，最小勘探力小于2 pN，然后将qPlus力传感器的功用面向了一个新的水平[14]。此外，运用导电针尖，并经过独自的导线把经过针尖的电流提取出来，能够很简单地将qPlus-AFM与STM集成在一起，以一起发挥STM和AFM的功用。关于qPlus-AFM更为系统的介绍见总述[10，11]。

　　如前所述，针尖与样品间的彼此效果越局域，空间分辩率越高。换言之，要想取得超高的空间分辩率，需求减小长程力的奉献，凸显短程力的奉献。要完成这一点，有两点十分要害：一是运用与短程力衰减长度挨近的亚埃级的小振幅作业(详见3.1节)；二是让针尖愈加尖利，削减长程的范德瓦耳斯力的奉献。关于AFM成像来说，针尖结尾几纳米的部分尤其是针尖结尾的几个原子扮演着最重要的人物。为了让针尖结尾更尖利，常用办法是让金属针尖轻戳金属衬底或对针尖进行原子或许分子润饰，使得短程的泡利排挤力、化学键力或许高阶静电力占主导。

　　当针尖与样品的间隔满意近时，二者的电子云会发生交叠，发生很强的短程泡利排挤力。大部分时分，泡利排挤力是对固体及分子系统成像取得原子级分辩率的要害。2009年，Gross等[15]发现对针尖润饰一氧化碳(CO)分子后，能够完成对单个并五苯分子的化学键和结构(图5(a))的超高分辩成像(图5(c))，其分辩率现已超过了STM图画(图5(b))。这种超高空间分辩率的成像首要起源于CO针尖“尖利”的p轨迹与并五苯分子之间电子云交叠所导致的短程泡利排挤力。这种针尖润饰办法简单易行，成像分辩率高，使得qPlus-AFM成像技能敏捷取得了广泛的运用。除了CO分子润饰外，人们还能够对针尖润饰其他品种的原子或许分子，以进步空间分辩率或许完成其他特定功用，例如Cl离子[16]和Xe分子[17]润饰的针尖以及CuO针尖[18]等。

　　图5 根据泡利排挤力的单分子化学键成像[15] (a)并五苯分子的结构图；用 CO 分子润饰的针尖得到的 STM 图(b)和AFM图(c)

　　当针尖和衬底的化学活性都较强时，在近间隔扫描进程中，二者能够构成局域的化学键，根据这种短程的化学键力，也能够取得超高的空间分辩率。典型的比方是半导体外表的AFM高分辩成像。例如，Giessibl等[19]发现在用AFM扫描Si(111)-(7×7)样品时，针尖会从样品上吸起一些Si团簇而被润饰，因而在扫描时简单与样品外表带悬挂键的Si原子构成共价键，而得到原子级分辩率。可是，这种成像办法对外表结构扰动较大，不适用于弱键和分子系统。

　　一般所说的静电力首要来历于低阶静电力，比方点电荷与点电荷或许电偶极之间的静电力，其巨细别离正比于r -2和r -3(r是二者效果的间隔)，是较长程的彼此效果力，因而空间分辩率较低。而在某些特别的情况下，高阶静电力的奉献会起首要效果，并且是愈加短程的，因而会导致分辩率的显着进步。一个典型的比方是对离子晶体(如NaCl，MgO，Cu2N等)的原子分辩成像。离子晶体外表周期性的正负电荷排布发生指数衰减的短程静电势散布[20]，针尖与离子晶体外表的短程静电力效果能够得到原子级分辩的成像[21]。

　　图6 根据高阶静电力的水分子高分辩成像 (a)CO针尖示意图(上)及DFT核算得到的CO针尖的电荷散布(下)，呈现出显着的电四极矩特征[16]；(b)水四聚体的原子结构图(上)和AFM图(下)[16]。白色箭头和弧线别离指示水分子中氧原子和氢原子的方位；(c)Au(111)上双层二维冰的原子构型(上)和AFM图画(下)，其间能够分辩平躺(蓝色箭头)和直立(黑色箭头)的水分子[23]；(d)Au(111)外表由Zundel类型水合氢离子(黑色箭头)自拼装构成的单层结构图(上)和AFM图画(下)[14]

　　另一个比方是运用CO针尖对强极性分子的高分辩成像。彭金波等[16]运用CO润饰的针尖(图6(a)上图)扫描水分子四聚体时，发现即便在针尖间隔较远时也能取得亚分子级的分辩率(图6(b))，且图画的描摹与水分子四聚体的静电势散布极端挨近，从中可辨认水分子OH键的取向。经过理论核算得知，CO润饰的针尖具有电四极矩(图6(a)下图)，与水分子电偶极之间存在高阶静电力彼此效果，这是一种更为短程的静电力(正比于r -6)，因而能够在未进入泡利排挤区域时取得超高空间分辩。这种根据弱小的高阶静电力的成像技能能够区别水分子中氢、氧原子的方位和氢键的取向并且扰动极小。近年来，这个技能已被成功运用于亚稳态水分子团簇[16]、盐离子水合物[22]、二维冰[23](图6(c))及单层水中的水合氢离子[14]的非侵扰高分辩成像(图6(d))，将水科学的研讨面向了原子标准。

　　相关于传统的AFM，qPlus-AFM能够很方便地与STM集成在一起，并兼容超高真空和低温环境，并且可取得原子级乃至单个化学键级的超高空间分辩率。这些优势使得qPlus-AFM取得了广泛的运用，大大促进了外表科学和低维资料研讨范畴的快速开展。下面咱们扼要介绍qPlus-AFM在高分辩结构成像、电荷态和电子的丈量、原子力的丈量和操作等方面的运用和最新进展。

　　qPlus-AFM在高分辩结构成像方面得到了最为广泛的运用。Gross等[15]经过对AFM针尖进行CO润饰，初次完成对有机分子的化学结构的直接丈量(图5)，触发了一系列后续研讨，包括：分子之间的氢键彼此效果[24]、分子化学键键序[25]、铁原子团簇[26]、化学反应产品辨认[27]等。近年来，人们经过操控有机分子前驱体的外表化学反应能够精确制备低维纳米资料，如石墨烯、石墨烯纳米带等。STM尽管被广泛用于表征其电子态，可是难以直接确认其原子结构、局域缺点和鸿沟构型等。qPlus-AFM对原子结构的灵敏及超高的空间分辩率，能够很好地处理这些问题。例如，Gröning等[28]运用扫描地道谱成像观测到了石墨烯纳米带结尾的拓扑结尾态(图7(a)右)，并经过AFM成像确认了拓扑非平凡的石墨烯纳米带的原子构型(图7(a)左)。

　　图7 qPlus-AFM在低维资料高分辩成像中的典型运用 (a)外表组成的石墨烯纳米带的AFM图(左)和0.25 V偏压下的dI /dV 图(右)[28]，四角较亮部分指示拓扑边际态；(b)运用磁性针尖得到的绝缘反铁磁NiO外表的AFM图画(左)及沿[100]方向相邻两个Ni原子不同自旋取向对应的高度轮廓线]

　　此外，qPlus-AFM开端被用于绝缘体外表原子结构的高分辩成像，如KBr[29]，CaF2[30]等。在杂乱氧化物外表方向，Diebold组观测了钙钛矿KTaO3(001)的外表重构[31]和TiO2(110)及In2O3(111)外表分子的吸赞同分化[32，33]等。最近，qPlus-AFM被用于对绝缘反铁磁资料NiO的成像，并且运用磁性针尖成像时，因为超交流效果能够分辩不同Ni原子的自旋取向[34](图7(b))。

　　在电荷态丈量方面，因为qPlus-AFM极高的信噪比和力灵敏度，Gross等[35]首要展现了单个原子的不同带电状况能够经过AFM直接丈量(图8(a))。经过丈量AFM的局域触摸势差，单个原子和分子内部的电荷散布也可进行成像[36，37]。运用厚层绝缘的NaCl阻断分子与金属衬底之间的电荷搬运，可对单分子进行多重电荷的充放电并操控分子间的电荷横向搬运[38]。

　　图8 AFM在电荷和电子态勘探中的运用 (a)电中性和带负电的金原子的恒高AFM图(插图)及对应的频率偏移的轮廓线]；(b)三重激发态寿数的勘探：左图为单个并五苯分子和近邻吸附的两个氧气分子的结构图(上)和AFM图(下)；右图为丈量三重激发态占有份额随电压脉冲停留时刻的改动，经过指数拟合可得猝灭后三重激发态的寿数仅0.58(5) μs[42]

　　近些年，人们运用qPlus-AFM完成了对分子电子态的丈量。例如，绝缘衬底上单分子的基态和激发态电子能谱被成功丈量[39，40]。进一步，将AFM与纳秒电学脉冲结合，能直接对绝缘体外表上单分子在不同带电状况下电子搬运的概率散布进行成像[41]。最近，qPlus-AFM被成功用于对分子自旋激发态的勘探。彭金波等[42]开展了一套新颖的电学泵浦—勘探AFM技能，初次完成了以原子级分辩率对单分子三重激发态寿数的勘探并观测到了近邻氧气分子引起的三重态的猝灭(图8(b))。

　　运用qPlus-AFM能够对原子效果力直接丈量。Ternes等[43]变高度扫过外表上吸附的单原子并记载针尖—原子之间彼此效果力引起的频率偏移(运用公式[9]能够将频率偏移∆f 转化成笔直效果力Fz)，直到原子发生移动，便可知移动原子所需的最小笔直效果力(图9(a))。进一步，能够将笔直效果力转化为彼此效果势，将其对x坐标微分能够得到移动原子所需的最小水平效果力Fx 的巨细。运用相似的办法，单个石墨烯纳米带在Au(111)外表的摩擦力已被精确丈量[44]。最近，经过丈量原子力曲线，人们提醒了针尖上CO分子与衬底上单个铁/铜原子的物理吸附向化学吸附的改动进程[45]。

　　图9 qPlus-AFM在原子力丈量和操作中的运用 (a)丈量移动Pt(111)外表(灰色小球)吸附的单个Co原子(赤色圆球)所需的力[43]。由远及近丈量沿原子上方(x方向，图(a-i))的频率偏移及笔直效果力Fz(a-ii)，直到在某个高度下开端引起原子移动(赤色箭头所示)，然后能够得知移动原子所需求的最小笔直效果力(a-iii)；(b)运用AFM针尖和金刚石样品之间发生的局域强电场，经过“拉出—推离”办法耗尽NV色心邻近的杂质电荷((b-i)，(b-ii))，使NV色心的自旋相干时刻进步20倍(b-iii)[47]

　　此外，qPlus-AFM也开端被测验运用于绝缘载体中固态量子比特的操控。边珂等[46]运用金属针尖的局域强电场和激光成功诱导了金刚石氮—空位色心(NV center)的电荷态转化。进一步，郑闻天等[47]经过施加较大的偏压，在AFM针尖—样品之间发生强电场，改动电场的方向，运用“拉出—推离”办法来铲除NV色心周围的未配对电子，完成了金刚石近外表电子自旋噪声的高效按捺，然后大幅进步了浅层NV色心的相干性(T2，echo时刻进步20倍)及其勘探灵敏度(图9(b))。

　　根据qPlus力传感器的超高分辩AFM技能，有力促进了单分子、外表科学、低维资料等研讨方向的开展，为人们了解物质的结构、电子态、电荷态、自旋态等供给了簇新的信息。这种超高分辩的AFM成像技能仍处于快速开展期，咱们信任在接下来若干年它会成为物理、资料、化学、生物等学科范畴的重要东西，并对这些范畴发生深远的影响。

　　首要，高分辩qPlus-AFM成像技能能够供给固体外表的原子结构和原子标准电荷散布的信息。STM仅对费米能级邻近的电子态或外层电子灵敏，常常很难将几许结构和电子态的信息分脱离，而qPlus-AFM丈量的泡利排挤力对总电子态密度灵敏，其间包括内层电子的信息，能够反映原子核方位。因而，STM与qPlus-AFM的结合将有助于人们更精确详尽地确认资料的结构和电子态散布。另一方面，经过qPlus-AFM对静电力的勘探，可完成以单个电荷的灵敏度和原子级的空间分辩率确认原子或许分子带电状况。运用开尔文探针力显微镜(KPFM)办法或许对短程静电力的成像，还可对资料外表的电荷散布进行高分辩表征，这种关于电荷的新信息将为人们在原子标准研讨各种电荷序带来巨大的便当，比方电荷密度波、高温超导中的电荷序、铁电资猜中的电荷散布等。

　　其次，qPlus-AFM也将为各种绝缘资料或许资料绝缘相研讨翻开全新的窗口。例如，高温超导体的母体一般是莫特绝缘体，STM很难成像。而qPlus-AFM能够用于研讨高温超导体跟着掺杂浓度的添加从莫特绝缘体向超导态和金属态改动的全进程，有助于了解高温超导的机制。假如将针尖进行自旋极化，还可研讨各种磁性绝缘体(如NiO)或许资料绝缘相(如高温超导体的母体)的自旋散布等。此外，qPlus-AFM还将在以绝缘体为载体的固态量子比特研讨中发挥共同的效果。凭借qPlus-AFM强壮的空间表征、操作与局域调控才能，有望开展出外表/近外表量子比特的相干性进步、精细量子比特网络构筑、纳米标准扫描量子传感等多种前沿技能。

　　最终，qPlus-AFM在化学和生物范畴也将发挥重要的效果。qPlus-AFM能够用来辨认化学反应的产品，还能够被用于研讨绝缘体(如NiO，Fe3O4)外表的化学反应及固液界面各种化学反应(如电化学进程)的机制。在生物大分子的结构成像方面，能够精准辨认DNA、RNA、蛋白质分子等的构型和彼此效果位点，提醒其结构与功用的联系。

　　qPlus-AFM技能自身面对的一些问题和技能瓶颈亟待处理。qPlus力传感器的悬臂劲度系数大，对力的灵敏度较低。Q因子受环境和温度影响大，然后严峻影响信噪比。一种或许的途径是开展自动操控Q因子的技能[48]。qPlus力传感器共振频率低(一般约几十kHz)，成像速度慢，难以捕捉较快的非平衡态动力学进程，需求开展高速乃至超快的AFM技能。比方制备质量更小共振频率更高的AFM悬臂；或许将AFM与泵浦—勘探技能相结合，将短的电压脉冲[42]或许超短的激光脉冲[49]耦合到qPlus-AFM中。运用qPlus-AFM对非平面的三维立体结构和分子的丈量，还面对着应战，开展新的算法(如运用机器学习)是一条或许的途径。此外，qPlus-AFM一般缺少化学分辩，有时分很难仅从图画上获取样品的化学信息。一种途径是将其与具有化学分辩的光谱技能(如拉曼光谱)相结合[50]或许与磁共振技能结合。最终，qPlus-AFM面对的另一个巨大应战是怎么将其运用推行到溶液、生物系统等杂乱的环境或系统中。大气溶液环境兼容的金刚石色心量子传感技能[51]或许为qPlus-AFM带来全新的运用场景和勘探自在度。