實(shí)例分析原子力顯微鏡使用中的假像

蔣智強(qiáng)

（河南大學(xué)，河南 開(kāi)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(gè)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(dá)，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(duì)AFM實(shí)驗(yàn)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(shí)，那么采用尖端直徑為10 n m的探針時(shí)，目前研究人員認(rèn)為是合理的。即探針相對(duì)樣品較小，對(duì)AFM測(cè)試的結(jié)果影響可以忽略。如果探針信息對(duì)AFM實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響比較大時(shí)，往往被研究人員稱(chēng)為“假像”［2］。如何從AFM圖像中獲取樣品信息，即降低探針對(duì)AF M實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，或者說(shuō)辨別AF M實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的假像，是正確利用AF M對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試分析實(shí)驗(yàn)中必不可少的一項(xiàng)技能。

1 AFM實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生假像的常見(jiàn)原因分析

目前人們認(rèn)為AFM實(shí)驗(yàn)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(jī)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(duì)樣品結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)太大，首先會(huì)引起探針對(duì)樣品尺度的展寬效應(yīng)［2－4］，此時(shí)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(shí)的樣品信息。其次，探針太寬時(shí)，掃描成像過(guò)程中無(wú)法到達(dá)樣品中孔結(jié)構(gòu)的底部，得到圖像中孔的尺度比真實(shí)信息要小得多。另外，實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常見(jiàn)到的樣品形貌圖像一邊比另外一邊低的現(xiàn)象，也是因?yàn)樘结様嗟艋蛘邉e的原因造成的探針太大，無(wú)法測(cè)到樣品較低一邊的信息。如果實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)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(gè)軟的細(xì)小污染物，還經(jīng)常會(huì)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(wèn)題可以通過(guò)挑選合適尺寸的探針或者利用軟件對(duì)獲得的AFM圖像進(jìn)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(dá)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(huì)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(duì)掃描器進(jìn)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(duì)角度、AFM儀器的機(jī)械漂移［8－9］、電路反饋等噪音也會(huì)影響到獲得的AF M圖像。探針不垂直樣品表面時(shí)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(shí)驗(yàn)中最為明顯。探針與樣品的夾角問(wèn)題可以通過(guò)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(duì)位置來(lái)解決。同時(shí)，系統(tǒng)的漂移將會(huì)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(guò)修正AFM控制軟件中的漂移速度來(lái)解決。如果電路的反饋速度過(guò)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(guò)快則引起AFM圖像中的高頻噪音，不會(huì)隨著掃描范圍變化而變化是它的主要特征。該問(wèn)題的解決需要在AFM控制軟件中，針對(duì)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(shí)驗(yàn)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(gè)軟的細(xì)小污染物，該污染物有可能是一個(gè)或幾個(gè)生物分子。這種假像的判斷可以通過(guò)清洗探針或者換一個(gè)沒(méi)有污染的探針重新掃描樣品來(lái)解決。

圖1B中的樣品形貌原本是一個(gè)圓環(huán)，也就是圖中左邊顏色較亮的那個(gè)環(huán)。但觀察發(fā)現(xiàn)，除了樣品本身的那個(gè)圓環(huán)之外，B圖中還有兩個(gè)與左邊圓環(huán)形狀完全一樣的暗環(huán)。這兩個(gè)暗環(huán)并不是樣品本身的信息，而是因?yàn)樵谔结樓岸苏掣搅藘蓚€(gè)軟的長(zhǎng)鏈，這兩個(gè)長(zhǎng)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(gè)長(zhǎng)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(guò)清洗探針或者換一個(gè)沒(méi)有污染的探針重新掃描樣品來(lái)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(lèi)假像已經(jīng)被用來(lái)做講課材料來(lái)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(shí)發(fā)現(xiàn)的，如前面分析，這類(lèi)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(shí)，生物分子組裝的顆粒還很小，而這根探針則是用了一段時(shí)間的舊探針，前端比較鈍，其尖端直徑遠(yuǎn)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(shuō)，探針被樣品的小結(jié)構(gòu)掃描成像了。解決這個(gè)問(wèn)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(shí)形貌；圖1B為多個(gè)針尖掃描成像得到的樣品形貌圖，其中樣品真實(shí)的形貌是左邊較亮的那個(gè)環(huán)，右邊較暗的兩個(gè)環(huán)為探針上粘附的兩個(gè)長(zhǎng)鏈與樣品相互作用過(guò)程中掃描得到的形貌圖；圖1C為探針尖最前端斷掉時(shí)，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(duì)實(shí)驗(yàn)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(lái)的AFM實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

［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(shí)驗(yàn)誤差條件［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)，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.