伍智勇

摘 要：原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy， AFM）是近代發(fā)展起來的掃描探針顯微鏡（Scanning Probe Microscopy， SPM）家族中應(yīng)用最為廣泛的一員。隨著人類對(duì)于探求微觀世界的欲望越來越強(qiáng)烈，AFM將成為科學(xué)研究中必不可少的測(cè)試手段。本文將對(duì)與AFM相關(guān)專利申請(qǐng)情況進(jìn)行分析，并對(duì)AFM研究方向與前景作出預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：原子力顯微鏡；AFM；前景

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.247

1 引言

AFM通常通過探針與試樣表面進(jìn)行接觸，并通過光學(xué)檢測(cè)手段檢測(cè)探針?biāo)诘奈冶鄣男巫兞縼慝@取試樣表面的形貌。AFM由于其分辨率高且可應(yīng)用于液體環(huán)境下的特點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用在物理、生物、化學(xué)、航天等領(lǐng)域中[1-5]。為了進(jìn)一步擴(kuò)大AFM的適用范圍和提高AFM的測(cè)量精度，各國科技工作者都紛紛貢獻(xiàn)出自己的力量，使原子力顯微技術(shù)呈現(xiàn)出不同發(fā)展方向。

2 原子力顯微技術(shù)專利申請(qǐng)情況分析

本文以AFM為關(guān)鍵詞以發(fā)明名稱和關(guān)鍵詞為檢索入口，得到全球?qū)＠暾?qǐng)量年度分布情況。在全球范圍內(nèi)，有關(guān)AFM的專利申請(qǐng)始于1986年。隨后，全球AFM的申請(qǐng)量呈現(xiàn)出多個(gè)發(fā)展階段期。例如，1986年至1990年是萌芽階段，該期間全球申請(qǐng)量僅有23個(gè)，而從1991年開始全球?qū)＠暾?qǐng)量步入快速增長期，先從1991年的17個(gè)，快速上升到1994年的92個(gè)，并繼續(xù)增長至1997年的165個(gè)。在快速增長期后進(jìn)入了一個(gè)回落期，首先降至1998年的149個(gè)，最后降至2001年的125個(gè)，與1997年相比降幅達(dá)到25%。在回落期后，申請(qǐng)量又呈現(xiàn)二次增長期，從2001年至2008年申請(qǐng)量逐漸上升，至2008年全球申請(qǐng)量已達(dá)287件。在該增長期后，全球增長量步入穩(wěn)定期，自2008至2014年間，年均申請(qǐng)量為253.8件。

我國AFM專利申請(qǐng)始于1995年，申請(qǐng)量為1件，從1997年至今呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢(shì)，2014年我國關(guān)于AFM的專利申請(qǐng)量達(dá)到最大，為119件。對(duì)比中國與全球申請(qǐng)量年度分布情況可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)AFM的發(fā)展明顯滯后于全球，不過在2003年后滯后情況開始好轉(zhuǎn)，并保持了7年的平穩(wěn)過渡期。

3 原子力顯微技術(shù)研究方向與前景預(yù)測(cè)

本文以中文專利數(shù)據(jù)庫中分類號(hào)為G01Q60/24（AFM或其設(shè)備，例如AFM探針）的專利申請(qǐng)為例子，闡述目前AFM的各個(gè)研究方向，并對(duì)AFM的研究前景進(jìn)行簡單的預(yù)測(cè)。

3.1 原子力顯微鏡的組成

專利CN202631568U發(fā)明了一種顯微監(jiān)控型可選區(qū)原子力顯微成像裝置，可有效地實(shí)現(xiàn)微納米樣品掃描區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控與選區(qū)，并可對(duì)激光束與AFM微懸臂的調(diào)節(jié)與對(duì)準(zhǔn)過程進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)，能夠有效地監(jiān)控樣品與AFM微懸臂（微探針）的微納米逼近過程，克服了常規(guī)AFM技術(shù)在這些方面的隨機(jī)性、盲目性和局限性。

專利CN20259978U發(fā)明了一種三掃描器原子力顯微掃描檢測(cè)裝置，其包括由探針掃描與光電檢測(cè)單元、樣品掃描單元及二維步進(jìn)掃描單元等組成的三掃描器原子力顯微探測(cè)頭，以及由前置放大器、PID反饋單元、XYZ控制模塊一、XYZ控制模塊二、步進(jìn)控制模塊、計(jì)算機(jī)與接口等組成的掃描與反饋控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了保持納米級(jí)掃描精度的同時(shí)，對(duì)不同尺寸、不同重量的樣品實(shí)現(xiàn)一微米至一百微米級(jí)范圍的單幅圖像掃描，以及一百微米至毫米級(jí)范圍的圖像拼接。

以上兩個(gè)發(fā)明都對(duì)AFM的組成進(jìn)行了研究開發(fā)，提高了AFM的掃描能力和處理能力，從此可以預(yù)見今后對(duì)于AFM的專利申請(qǐng)的會(huì)包含在保持AFM精度的前提下提高AFM掃描能力的研究方向。

3.2 原子力顯微鏡的應(yīng)用

專利CN102279288A發(fā)明了一種采用原子力顯微鏡測(cè)量樣品勢(shì)壘的裝置以及方法，該裝置的工作原理是：利用探針控制器控制原子力探針以接觸模式工作，通過探測(cè)針尖與樣品間力的相互作用維持針尖與樣品間的距離不變，然后在導(dǎo)電原子力探針的針尖和樣品間加直流電壓，這時(shí)當(dāng)導(dǎo)電原子力探針的針尖與樣品間偏壓增大到一個(gè)閥值電壓使得表征襯底的第二電流計(jì)中出現(xiàn)明顯的電流時(shí)，這個(gè)值電壓就與針尖下方薄膜與襯底間的局域界面勢(shì)壘相當(dāng)，借此就可以測(cè)量一點(diǎn)處的勢(shì)壘，最后通過移動(dòng)探針針尖對(duì)樣品逐點(diǎn)測(cè)量就可以得到樣品上的界面勢(shì)壘在空間上的分布。

專利CN102353815A發(fā)明了一種測(cè)量材料的表面局域電子態(tài)的測(cè)量裝置，其主要思想是先用可調(diào)波長的單色光光源發(fā)出單色光道探針前端，然后通過加在探針和樣品之間的交流電壓使探針振動(dòng)，用光學(xué)檢測(cè)器監(jiān)測(cè)振動(dòng)幅度，然后通過施加直流電壓使探針的振幅為0，這時(shí)的電壓即為探針的針尖和樣品的接觸電勢(shì)差。通過改變單色光光源發(fā)出的單色光的波長，就可以獲得接觸電勢(shì)差隨波長的變化曲線，從而測(cè)得樣品的局域表面光電壓譜。

以上兩項(xiàng)發(fā)明都利用了AFM探針和樣品直接接觸或接近時(shí)會(huì)有力作用的原理，巧妙地利用該力作用轉(zhuǎn)化成為需要的電勢(shì)作用等，由此我們可以看到，對(duì)于AFM的研究發(fā)展趨勢(shì)包括了間接利用AFM原理而測(cè)量其他電信號(hào)的方面，因此在往后的AFM專利研究中該方面將占據(jù)一定的地位。

4 小結(jié)

本文對(duì)原子力顯微技術(shù)的起源和原理進(jìn)行了介紹，通過對(duì)與原子力顯微鏡相關(guān)的專利申請(qǐng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并通過對(duì)幾個(gè)專利申請(qǐng)進(jìn)行介紹以揭示原子力顯微技術(shù)的研究和發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]CN202631568U、CN20259978U、CN102279288A、CN102353815A

[2]蔡小芳.原子力顯微鏡在細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)方面的研究與應(yīng)用[R]. 中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2008，12（48）：9573.

[3]鮑海飛.基于原子力顯微鏡的微納結(jié)構(gòu)力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)[J].機(jī)械強(qiáng)度，2007，29（02）：223.

[4]M. Lanza. A Review on Resistive Switching in High-k Dielectrics： A Nanoscale Point of View Using Conductive Atomic Force Microscope. Materials. 2014，7：2155.