原子力顯微鏡的工作原理及其應(yīng)用*

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(lái)的高新技術(shù)，美國(guó)、日本和歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)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(guò)STM，應(yīng)用領(lǐng)域也更為廣泛，這是因?yàn)镾TM無(wú)法測(cè)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(jiǎn)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(guó)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(guó)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(duì)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(guò)檢測(cè)探針和樣品作用力來(lái)表征樣品表面的三維形貌.因?yàn)闃悠繁砻娴母叩推鸱闆r可以準(zhǔn)確的以數(shù)值的形式反饋回來(lái)，所以能夠通過(guò)對(duì)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(duì)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(cè)量方法是力-距離曲線，這便可以傳遞出很多樣品的信息.測(cè)量并記錄探針在接近或是壓入樣品表面又離開的過(guò)程中所受到的力，得到針尖和樣品間的力-距離曲線.再通過(guò)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(guò)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(duì)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(guò)以往的顯微鏡：光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)一般不超過(guò)1000倍；電子顯微鏡的放大倍數(shù)的極限也就是100萬(wàn)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(shuō)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(duì)象，AFM不僅可以對(duì)導(dǎo)體、半導(dǎo)體進(jìn)行研究，還可以對(duì)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(duì)生物樣品進(jìn)行研究，如動(dòng)植物或細(xì)菌的組織、細(xì)胞、生物大分子等.

AFM的制樣過(guò)程簡(jiǎn)單易行，只需對(duì)樣品稍加固定便可進(jìn)行觀察.而其它顯微鏡對(duì)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(duì)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(duì)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(yàn)環(huán)境.既可以在真空中試驗(yàn)，也可以在大氣中，甚至還可以在溶液中觀察樣品，同時(shí)對(duì)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(gè)一端裝有探針而另一端固定的彈性微懸臂來(lái)檢測(cè)樣品表面信息的.當(dāng)探針掃描樣品時(shí)，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(guò)檢測(cè)這個(gè)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(gè)物體的距離小到一定程度的時(shí)候，它們之間將會(huì)有原子力作用.這個(gè)力主要與針尖和樣品之間的距離有關(guān).從對(duì)微懸臂形變的作用效果來(lái)分，可簡(jiǎn)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(zhǎng)，當(dāng)對(duì)樣品表面進(jìn)行掃描時(shí)，針尖與樣品之間力的作用會(huì)使微懸臂發(fā)生彈性形變，針尖碰到樣品表面時(shí)，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(lái).也就是說(shuō)如果檢測(cè)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(cè)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(jiǎn)單地移動(dòng).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(lái)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(shí)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(dòng)的樣品時(shí)，針尖和樣品表面的排斥力會(huì)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(shí)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?yàn)樘结樑c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(wèn)題，靈敏度也比接觸式高，但分辨率相對(duì)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(lái)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(duì)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(shí)對(duì)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(shí)驗(yàn)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(gè)系統(tǒng)：減震系統(tǒng)、頭部系統(tǒng)、電子學(xué)控制系統(tǒng)、計(jì)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(shí)驗(yàn)操作

(1)程序啟動(dòng)：連通電源后，先開啟計(jì)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(shí)驗(yàn)時(shí)，也要先關(guān)閉控制箱電源，最后關(guān)閉計(jì)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(shí)驗(yàn)步驟如下：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)、充氣、安裝Scanner、試樣、Cantilever、抽真空、調(diào)整laser光軸、Approach測(cè)定范圍、測(cè)定image、保存測(cè)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(chǎng)STM在電化學(xué)中應(yīng)用很廣泛，但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作時(shí)存在法拉第電流等影響，化學(xué)工作者們希望通過(guò)努力將AFM應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)電化學(xué)中，因?yàn)锳FM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(shí)驗(yàn)獲得成功，現(xiàn)在AFM已應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)電化學(xué)研究．這些研究主要有界面動(dòng)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(guò)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(guò)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(shì)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(duì)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(dòng)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．

1% 2% 3%

1% 2% 3%

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(dòng)態(tài)過(guò)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(zhǎng)比較均勻.從理論上可以通過(guò)晶體結(jié)構(gòu)推斷出金屬表面結(jié)構(gòu)，但實(shí)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(shí)隨著各個(gè)不同學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)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(gè)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)：

[1]張冬仙.新型原子力顯微鏡的研制及其應(yīng)用[J].光子學(xué)報(bào)，2002，31(1):50-54.

[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?？茖W(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(cè)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(gè)研究領(lǐng)域的應(yīng)用[J].科技導(dǎo)報(bào)，2003(3).