徐井華，李 強(qiáng)

(通化師范學(xué)院 物理學(xué)院，吉林 通化 134002)

納米技術(shù)是二十世紀(jì)八十年代末期誕生并迅速發(fā)展起來的高新技術(shù)，美國、日本和歐洲等發(fā)達(dá)國家都把納米技術(shù)作為二十一世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命的核心，我國也把納米技術(shù)列入優(yōu)先發(fā)展的高新科技的行列之中[1].納米技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，就是以掃描隧道顯微鏡(STM[2])和原子力顯微鏡(AFM[3])為代表的掃描探針顯微鏡(SPM[4])技術(shù).在掃描探針顯微鏡家族中，AFM的普及速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過STM，應(yīng)用領(lǐng)域也更為廣泛，這是因為STM無法測定非導(dǎo)體樣本，而自然界中存在的物質(zhì)以及工業(yè)產(chǎn)品大多都是絕緣材料.AFM以其高分辨率、操作簡單、制樣容易等特點(diǎn)而備受關(guān)注，并已在物理化學(xué)、材料學(xué)、生命科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用，極大的推進(jìn)了納米科技的發(fā)展.國際上關(guān)于AFM的文章層出不窮，并已經(jīng)獲得了很大的成就，但我國的AFM普及率和使用率卻較低，研究成果較少.基于此，文章結(jié)合SPA-300HV型顯微鏡對AFM進(jìn)行了介紹.

1 原子力顯微鏡、功能及其優(yōu)點(diǎn)

1.1 原子力顯微鏡的功能

AFM最基本的功能是：通過檢測探針和樣品作用力來表征樣品表面的三維形貌.因為樣品表面的高低起伏情況可以準(zhǔn)確的以數(shù)值的形式反饋回來，所以能夠通過對樣品表面整體的圖像進(jìn)行分析，得到樣品表面的粗糙度、平均梯度、顆粒度、孔結(jié)構(gòu)以及孔徑分布的參數(shù)等；若對小范圍的樣品表面的圖像進(jìn)行分析，還可以獲得物質(zhì)的晶形結(jié)構(gòu)、分子的結(jié)構(gòu)、聚集狀態(tài)、表面積及體積等方面的信息.

AFM的測量方法是力-距離曲線，這便可以傳遞出很多樣品的信息.測量并記錄探針在接近或是壓入樣品表面又離開的過程中所受到的力，得到針尖和樣品間的力-距離曲線.再通過分析曲線，就可以得到樣品表面的硬度、粘彈性、壓彈性等物理性質(zhì)；如果樣品為生物分子或有機(jī)物，還可以通過探針與分子的結(jié)合拉伸知道分子的聚集狀態(tài)、拉伸彈性、空間構(gòu)象等一系列屬性[5].

另外，AFM還可以對分子或原子機(jī)型操縱、加工和修飾，從而創(chuàng)造出新的結(jié)構(gòu)和物質(zhì).

1.2 原子力顯微鏡的優(yōu)點(diǎn)

AFM具有超高的空間分辨率，放大倍數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往的顯微鏡：光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)一般不超過1000倍；電子顯微鏡的放大倍數(shù)的極限也就是100萬倍；而AFM的放大倍數(shù)是電子顯微鏡的1000倍，高達(dá)10億倍，也就是說可以直接觀察到物質(zhì)的分子和原子，為人類提供了探索微觀世界的理想工具.

AFM具有廣泛的研究對象，AFM不僅可以對導(dǎo)體、半導(dǎo)體進(jìn)行研究，還可以對絕緣體材料進(jìn)行研究，如：各種金屬、半導(dǎo)體材料、陶瓷等；另外AFM還可以對生物樣品進(jìn)行研究，如動植物或細(xì)菌的組織、細(xì)胞、生物大分子等.

AFM的制樣過程簡單易行，只需對樣品稍加固定便可進(jìn)行觀察.而其它顯微鏡對觀察的樣品卻要進(jìn)行繁瑣的處理，如在生命科學(xué)研究領(lǐng)域，電子顯微鏡必須對樣品進(jìn)行脫水、包埋、切片、染色、固定等處理；激光掃描共聚顯微鏡必須對樣品進(jìn)行特殊的熒光染色；掃描隧道顯微鏡要求樣品的表面具有導(dǎo)電性，否則就得進(jìn)行鍍金處理.

除上述優(yōu)點(diǎn)，AFM還具有多樣的試驗環(huán)境.既可以在真空中試驗，也可以在大氣中，甚至還可以在溶液中觀察樣品，同時對溫度沒有特殊要求，高溫、低溫皆可以進(jìn)行.

2 原子力顯微鏡的工作原理

AFM是用一個一端裝有探針而另一端固定的彈性微懸臂來檢測樣品表面信息的.當(dāng)探針掃描樣品時，與樣品和探針距離有關(guān)的相互作用力作用在針尖上，使微懸臂發(fā)生形變.AFM系統(tǒng)就是通過檢測這個形變量，從而獲得樣品表面形貌及其他表面相關(guān)信息.

2.1 原子力作用機(jī)制

當(dāng)兩個物體的距離小到一定程度的時候，它們之間將會有原子力作用.這個力主要與針尖和樣品之間的距離有關(guān).從對微懸臂形變的作用效果來分，可簡單將其分為吸引力和排斥力，它們分別在不同的工作模式下、不同的作用距離起主導(dǎo)作用．探針與樣品的距離不同，作用力的大小也不相同，針尖/樣品距離曲線如圖1所示.

2.2 原子力顯微鏡的成像原理

AFM的微懸臂綿薄而修長，當(dāng)對樣品表面進(jìn)行掃描時，針尖與樣品之間力的作用會使微懸臂發(fā)生彈性形變，針尖碰到樣品表面時，很容易彈起和起伏，它非常的靈敏，極小的力的作用也能反應(yīng)出來.也就是說如果檢測出這種形變，就可以知道針尖-樣品間的相互作用力，從而得知樣品的形貌.

微懸臂形變的檢測方法一般有電容、隧道電流、外差、自差、激光二極管反饋、偏振、偏轉(zhuǎn)方法.偏轉(zhuǎn)方法是采用最多的方法，也是原子力顯微鏡批量生產(chǎn)所采用的方法.圖2就是光束偏轉(zhuǎn)法的原理圖[6].

圖1 針尖樣品距離-力曲線 圖2 光束偏轉(zhuǎn)法原理圖

2.3 原子力顯微鏡的工作模式

AFM主要有三種工作模式：接觸模式(Contact Mode)、非接觸模式(Non-contact Mode)和輕敲模式(Tapping Mode)，如圖3.

圖3 AFM工作模式示意圖

接觸模式中，針尖一直和樣品接觸并在其表面上簡單地移動.針尖與樣品間的相互作用力是兩者相接觸原子間的排斥力，其大小約為10-8～10-11N．接觸模式就是靠這種斥力模式來獲取樣品表面形貌圖像的，可產(chǎn)生穩(wěn)定的、高分辨率的圖像.但同時也存在著一些缺點(diǎn)，如在研究生物大分子、低彈性模量以及容易變形和移動的樣品時，針尖和樣品表面的排斥力會使樣品原子的位置改變，使樣品損壞；樣品的原子容易粘附在探針上，污染探針針尖不利于成像；掃描時還可能使樣品發(fā)生很大的形變，在圖像數(shù)據(jù)中出現(xiàn)假象．

非接觸模式是控制探針一直不與樣品表面接觸，讓探針始終在樣品上方5～20nm距離內(nèi)掃描.因為探針與樣品始終不接觸，故而避免了接觸模式中遇到的破壞樣品和污染針尖的問題，靈敏度也比接觸式高，但分辨率相對接觸式較低，且非接觸模式不適合在液體中成像.

輕敲模式是介于接觸模式和非接觸模式之間新發(fā)展起來的成像技術(shù)，類似與非接觸模式，但微懸臂的共振頻率的振幅相對非接觸模式較大，一般在0.01～1nm．分辨率幾乎和接觸模式一樣好，同時對樣品的破壞也幾乎完全消失，克服了以往常規(guī)模式的局限．

3 原子力顯微鏡的構(gòu)成和實驗操作

3.1 原子力顯微鏡的構(gòu)成

SPA-300HV型顯微鏡主要包括以下四個系統(tǒng)：減震系統(tǒng)、頭部系統(tǒng)、電子學(xué)控制系統(tǒng)、計算機(jī)軟件系統(tǒng)(圖4為結(jié)構(gòu)圖)．

3.2 原子力顯微鏡的實驗操作

(1)程序啟動：連通電源后，先開啟計算機(jī)，再打開控制箱電源，運(yùn)行軟件控制系統(tǒng)，并讓其處在硬件控制狀態(tài)；結(jié)束實驗時，也要先關(guān)閉控制箱電源，最后關(guān)閉計算機(jī)，這樣可以有效地保護(hù)掃描管．

圖4 AFM結(jié)構(gòu)圖

(2)數(shù)據(jù)操作：在文件系統(tǒng)窗口中打開數(shù)據(jù)圖像文件，進(jìn)入數(shù)據(jù)操作窗口.數(shù)據(jù)操作窗口主要包括：數(shù)據(jù)圖像區(qū)、硬件狀態(tài)區(qū)、調(diào)色板區(qū)、控制區(qū)開關(guān)、文件保存按鈕．

(3)硬件控制：硬件控制區(qū)有掃描控制、硬件失調(diào)矯正、保存設(shè)定、馬達(dá)控制4種工具，可以分別打開各自的控制工具區(qū)．

(4)硬件失調(diào)矯正：可以校準(zhǔn)掃描器的壓電常數(shù)．

(5)掃描控制：可以選擇接觸模式AFM控制模式、非接觸模式AFM控制模式、輕敲式模式AFM控制模式．

實驗步驟如下：啟動系統(tǒng)、充氣、安裝Scanner、試樣、Cantilever、抽真空、調(diào)整laser光軸、Approach測定范圍、測定image、保存測定image、結(jié)束.

4 原子力顯微鏡的應(yīng)用

4.1 原子力顯微鏡在電化學(xué)中的應(yīng)用

現(xiàn)場STM在電化學(xué)中應(yīng)用很廣泛，但在實際實驗操作時存在法拉第電流等影響，化學(xué)工作者們希望通過努力將AFM應(yīng)用于現(xiàn)場電化學(xué)中，因為AFM在水或電解質(zhì)溶液等電化學(xué)環(huán)境下工作穩(wěn)定．1991年Manne等人首次實驗獲得成功，現(xiàn)在AFM已應(yīng)用于現(xiàn)場電化學(xué)研究．這些研究主要有界面動態(tài)學(xué)、界面結(jié)構(gòu)的表征、化學(xué)材料及結(jié)構(gòu)，如研究和觀察單晶、多晶局部表面結(jié)構(gòu)、表面重構(gòu)和表面缺陷、表面吸附物種的結(jié)構(gòu)和形態(tài)、金屬或半導(dǎo)體的表面電腐蝕過程、有機(jī)分子的電聚合及電極表面上的沉積、金屬電極的氧化還原過程等[7]．

4.2 原子力顯微鏡在生命科學(xué)中的應(yīng)用

AFM是生命科學(xué)研究中的有力工具，憑著自身的優(yōu)勢在生物學(xué)中迅速地發(fā)展．Lindsay等人用AFM獲得了DNA的圖像，之后AFM便成為了研究DNA分子的重要工具；halobacterium halobim首先用AFM研究紫膜上的視紫紅蛋白，之后科學(xué)家們又對游離蛋白質(zhì)進(jìn)行研究并取得了很大的成功，如免疫蛋白、膠原蛋白、肌動蛋白、巨球蛋白等；AFM在多糖方面的研究比較晚，多糖具有很大的分子量，且支鏈較多，溶解困難，所以形貌圖的效果很差，分辨率很低，但現(xiàn)今也取得了很大的進(jìn)展．

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4.3 原子力顯微鏡在物理學(xué)中的應(yīng)用

AFM在物理學(xué)中，主要應(yīng)用于研究半導(dǎo)體和金屬的表面重構(gòu)、表面形貌、表面電子態(tài)及動態(tài)過程，超導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)和電子態(tài)層狀材料的電荷密度等．圖5為稀土La摻雜ZnO薄膜樣品不同摻雜濃度樣品AFM形貌圖.從圖上可以看出樣品表面均呈現(xiàn)為顆粒狀，且顆粒生長比較均勻.從理論上可以通過晶體結(jié)構(gòu)推斷出金屬表面結(jié)構(gòu)，但實際上金屬表面非常的復(fù)雜．衍射分析方法表明，在大多情況下，表面形成超晶體結(jié)構(gòu)，可使表面自由能達(dá)到最小值．AFM可以得到某些金屬或半導(dǎo)體的重構(gòu)圖像．

隨著科技的不斷發(fā)展，AFM自身也將不斷的改進(jìn)和發(fā)展，同時隨著各個不同學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)者對AFM了解的加深，AFM必將不斷拓寬應(yīng)用領(lǐng)域，不斷深入到各個學(xué)科之中，成為人類科學(xué)發(fā)展的重要研究工具，發(fā)揮更大的作用．

參考文獻(xiàn)：

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[2]Binnig G，Rohr er H.Scanning tunneling micro scope[J].Helev Phys Acta，1982，55(4):726～729.

[3]Binnig G，Quate C F.A to mic for cemicroscope [J].Phys Rev Lett，1986，56(5):930～935.

[4]白春禮.掃描隧道顯微術(shù)及其應(yīng)用[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，1991:91～129.

[5]朱杰.原子力顯微鏡的基本原理及其方法學(xué)研究[J].生命科學(xué)儀器，2005，3(1).

[6]熊丹.基于AFM與王涉光譜的薄膜厚度測量系統(tǒng)[D].杭州:浙江大學(xué)，2007.

[7]劉延輝.原子力顯微鏡及其在各個研究領(lǐng)域的應(yīng)用[J].科技導(dǎo)報，2003(3).