蔣智強

（河南大學(xué)，河南 開封 475004）

原子力顯微鏡（AFM）早已成為納米材料研究中重要的表征手段，并被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物、醫(yī)藥等多個領(lǐng)域［1］。AF M獲得的樣品圖像是探針與樣品間相互作用力的一種表達，為此，得到的AFM圖像中不但有樣品的信息，還有探針的信息。探針的尺寸、形狀等都對AFM實驗結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，如果想獲取橫向尺度為100 n m的微結(jié)構(gòu)形貌時，那么采用尖端直徑為10 n m的探針時，目前研究人員認為是合理的。即探針相對樣品較小，對AFM測試的結(jié)果影響可以忽略。如果探針信息對AFM實驗結(jié)果影響比較大時，往往被研究人員稱為“假像”［2］。如何從AFM圖像中獲取樣品信息，即降低探針對AF M實驗結(jié)果的影響，或者說辨別AF M實驗結(jié)果中的假像，是正確利用AF M對樣品進行測試分析實驗中必不可少的一項技能。

1 AFM實驗中產(chǎn)生假像的常見原因分析

目前人們認為AFM實驗中主要存在的假像有探針引起的假像、掃描器引起的假像和電路、機械系統(tǒng)引起的假像。探針引起假像的原因主要是探針尺寸相對樣品結(jié)構(gòu)來說太大，首先會引起探針對樣品尺度的展寬效應(yīng)［2－4］，此時得到的球體往往是扁球體。雖然寬度被探針展寬了，但其高度信息還是真實的樣品信息。其次，探針太寬時，掃描成像過程中無法到達樣品中孔結(jié)構(gòu)的底部，得到圖像中孔的尺度比真實信息要小得多。另外，實驗中經(jīng)常見到的樣品形貌圖像一邊比另外一邊低的現(xiàn)象，也是因為探針斷掉或者別的原因造成的探針太大，無法測到樣品較低一邊的信息。如果實驗中看到AFM圖像中有很多重復(fù)的三角形結(jié)構(gòu)圖像如圖1C所示，這是由于樣品尺寸遠小于探針尺寸，導(dǎo)致AF M圖像顯示的不是樣品的信息，而是探針的信息。如果針尖上粘附了一個軟的細小污染物，還經(jīng)常會得到一些重復(fù)的“豆芽形結(jié)構(gòu)”在AFM形貌圖像中，如圖1 A所示。解決探針太大的問題可以通過挑選合適尺寸的探針或者利用軟件對獲得的AFM圖像進行反卷積的處理［5］。

掃描器引起假像的原因主要是壓電陶瓷的磁滯效應(yīng)、非線性效應(yīng)。AFM儀器中掃描器的執(zhí)行部件一般是壓電陶瓷，它用于執(zhí)行X、Y和Z方向的伸縮命令，達到定位和控制掃描成像的功能。壓電陶瓷的磁滯效應(yīng)、非線性效應(yīng)等都會影響到獲取的AFM圖像。比如原本尺寸均勻的樣品，得到的AFM形貌左邊的尺寸小，向右則圖像尺寸逐漸增大。要解決掃描器引起的假像，通常需要利用標(biāo)準(zhǔn)光柵樣品對掃描器進行磁滯效應(yīng)、線性和非線性校準(zhǔn)［6－7］。

此外，探針和樣品的相對角度、AFM儀器的機械漂移［8－9］、電路反饋等噪音也會影響到獲得的AF M圖像。探針不垂直樣品表面時獲得的AF M圖像中，原本垂直的樣品結(jié)構(gòu)變成傾斜結(jié)構(gòu)了，該現(xiàn)象通常在掃描矩形光柵的實驗中最為明顯。探針與樣品的夾角問題可以通過更換幾何形狀不同的探針或者調(diào)節(jié)探針與樣品的相對位置來解決。同時，系統(tǒng)的漂移將會導(dǎo)致原本直線形的樣品結(jié)構(gòu)，其得到的AFM形貌特征是彎曲的。該現(xiàn)象可以通過修正AFM控制軟件中的漂移速度來解決。如果電路的反饋速度過低將體現(xiàn)在樣品圖像模糊，即系統(tǒng)反饋太慢；而電路反饋過快則引起AFM圖像中的高頻噪音，不會隨著掃描范圍變化而變化是它的主要特征。該問題的解決需要在AFM控制軟件中，針對不同的樣品，設(shè)置優(yōu)化合理的電路反饋系數(shù)。

圖1是在研究生物分子自組裝實驗中獲得的三幅AFM形貌圖，其中圖A中出現(xiàn)了許多“豆芽形結(jié)構(gòu)”，根據(jù)前面的分析，該豆芽形結(jié)構(gòu)并非樣品的形貌，而是探針尖端粘附了一個軟的細小污染物，該污染物有可能是一個或幾個生物分子。這種假像的判斷可以通過清洗探針或者換一個沒有污染的探針重新掃描樣品來解決。

圖1B中的樣品形貌原本是一個圓環(huán)，也就是圖中左邊顏色較亮的那個環(huán)。但觀察發(fā)現(xiàn)，除了樣品本身的那個圓環(huán)之外，B圖中還有兩個與左邊圓環(huán)形狀完全一樣的暗環(huán)。這兩個暗環(huán)并不是樣品本身的信息，而是因為在探針前端粘附了兩個軟的長鏈，這兩個長鏈應(yīng)該是生物分子或者它們的自組裝結(jié)構(gòu)，暗環(huán)的出現(xiàn)正是這兩個長鏈與樣品上圓環(huán)相互作用引起的探針與樣品間作用力變化，該力在數(shù)值上小于與真正的AFM探針與樣品間的相互作用力，結(jié)果在形貌圖像中顯示為暗環(huán)。該暗環(huán)屬于假像，它提醒我們，如果獲得的樣品形貌中有完全一樣的結(jié)構(gòu)，則需要辨別它們是不是假像。這也可以通過清洗探針或者換一個沒有污染的探針重新掃描樣品來解決。

圖C中出現(xiàn)的重復(fù)三角形結(jié)構(gòu)非常典型，這類假像已經(jīng)被用來做講課材料來用。它是在我們研究生物分子自組裝的初期顆粒狀結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的，如前面分析，這類重復(fù)的三角形結(jié)構(gòu)并非樣品的結(jié)構(gòu)，而是我們采用的三角形探針自身的結(jié)構(gòu)。此時，生物分子組裝的顆粒還很小，而這根探針則是用了一段時間的舊探針，前端比較鈍，其尖端直徑遠大于樣品中顆粒的直徑，所以掃描得到的是探針的形狀，或者說，探針被樣品的小結(jié)構(gòu)掃描成像了。解決這個問題的方法是更換新的探針，讓探針尺度小于樣品的尺度。

圖1 AFM形貌圖

圖1 A為利用被污染的針尖掃描的樣品形貌圖，其中的豆芽狀結(jié)構(gòu)顯示的是針尖上污染物的形狀，并非樣品的真實形貌；圖1B為多個針尖掃描成像得到的樣品形貌圖，其中樣品真實的形貌是左邊較亮的那個環(huán)，右邊較暗的兩個環(huán)為探針上粘附的兩個長鏈與樣品相互作用過程中掃描得到的形貌圖；圖1C為探針尖最前端斷掉時，鈍化的探針與樣品作用的到的AFM形貌圖，其中的三角形結(jié)構(gòu)并非樣品的形貌，而是針尖的形貌。

2 結(jié) 論

本文總結(jié)了AFM研究產(chǎn)生假像的幾種原因和它們可能導(dǎo)致的假像結(jié)構(gòu)，并針對實驗中的到的三種假像，分析了其產(chǎn)生原因和解決的辦法。為將來的AFM實驗數(shù)據(jù)分析提供了借鑒經(jīng)驗。

［1］Li Y，Zhang S，Guo L et al.Collagen coated tantalu m substrate for cell proliferation［J］.Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2012.

［2］Allen M J，Hud N V，Balooch M et al.Tip－radiusinduced artifacts in AFM images of protamine－complexed DNA fibers［J］.Ultramicroscopy，1992，42：1095.

［3］Coen M C，Leh mann R，Gr?ning P et al.Adsorption and bioactivity of protein A on silicon surfaces studied by AFM and XPS［J］.Jour nal of Colloid and Interface Science，2001，233：180－189.

［4］Wade L A，Shapiro IR，Ma Z et al.Correlating AFM probe mor phology to i mage resolution for singlewall carbon nanotube tips［J］.Nano Letters，2004，4：725－731.

［5］Fang S，Haplepete S，Chen W et al.Analyzing atomic force microscopy i mages using spectral met hods［J］.Jour nal of applied physics，1997，82：5891－5898.

［6］張淑萍.淺析應(yīng)用光柵方程滿足的實驗誤差條件［J］.大學(xué)物理實驗，2012（2）：82－84.

［7］吳春世.超聲光柵的原理與制作［J］.大學(xué)物理實驗，2012（4）：10－12.

［8］Hug H Jung T Guntherodt HJ.A high stability and low drift atomic force microscope［J］.Review of scientific instruments，1992，63：3900－3904.

［6］Ricci D Braga PC.Recognizing and avoiding artifacts in AFM i maging［J］.In：Ato mic Force Micr oscopy.Springer，2004：25－37.