原子力顯微鏡實驗的教學研究

王中平，謝　寧，張憲峰，張增明，孫臘珍

(中國科學技術(shù)大學 物理學院 物理實驗教學中心，安徽 合肥 230026)

原子力顯微鏡實驗的教學研究

王中平，謝寧，張憲峰，張增明，孫臘珍

(中國科學技術(shù)大學 物理學院 物理實驗教學中心，安徽 合肥 230026)

摘要：利用磁控濺射法在硅襯底沉積金屬鋁作為光學薄膜樣品、硅襯底表面制備單分散的國家標準物質(zhì)以及DNA分散在云母片表面的生物樣品，作為不同組的學生進行實驗的研究樣品，在室溫下以不同型號原子力顯微鏡的輕敲模式進行樣品的圖像掃描，然后不同組的同學對實驗結(jié)果進行比較討論，學習掌握原子力顯微鏡的表征內(nèi)容. 實驗結(jié)合了近代的樣品制備技術(shù)、標準化的知識以及生物樣品的制備方法和現(xiàn)代化的表征測試手段，適合本科生的研究型實驗教學.

關鍵詞：原子力顯微鏡;標準樣品;金屬薄膜;DNA

1引言

顯微鏡作為研究物質(zhì)宏觀結(jié)構(gòu)和表面形貌觀察的有力工具，具有很高的分辨本領和放大倍數(shù). 從17 世紀初應用于科學研究開始，顯微鏡的發(fā)明和利用把人類的視野從宏觀引入到微觀，直接導致了19 世紀細胞學、微生物學等學科的建立. 顯微鏡的發(fā)展大致可分為3代：第一代顯微鏡——光學顯微鏡(Optical microscopy, OM)，第二代顯微鏡——電子顯微鏡(Electron microscopy, EM),第三代顯微鏡——掃描隧道顯微鏡(Scanning tunneling,microscopy, STM)[1-6]. STM使人類能夠?qū)崟r觀察單個原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關的物理、化學性質(zhì)，其具有高分辨率，能夠獲得表面三維圖像，可工作在大氣、真空、溶液環(huán)境下，亦可改變工作溫度. STM是通過檢測針尖和樣品之間隧道電流的變化來探測表面信號，這決定了其只能直接觀察導體和半導體的表面結(jié)構(gòu)，不能對絕緣表面進行測試. 為了彌補STM的不足，1986 年Bining、Quate 和Gerber 發(fā)明了第1臺原子力顯微鏡(Atom force microscopy, AFM)[7-11]， AFM 是繼STM 之后發(fā)明的能從原子尺度觀察導體和半導體表面的原子形貌，而且?guī)缀蹩梢詫λ械谋砻?導體、半導體以及絕緣體)成像的具有原子級高分辨的新型儀器，可對各種材料和樣品進行納米區(qū)域的物質(zhì)性質(zhì)包括形貌進行探測，現(xiàn)已廣泛應用于半導體、納米功能材料、生物、化工、食品、醫(yī)藥等研究領域，成為科學研究的基本工具，具有廣闊的應用前景和強大的生命力[2-6,11-14].

AFM掃描能提供各種類型樣品的表面狀態(tài)信息，其優(yōu)點是在大氣條件下，以高倍率觀察樣品表面，可用于幾乎所有樣品(對表面光潔度有一定要求)，而不需要進行其他制樣處理，就可以得到樣品表面的三維形貌圖像，并可對掃描所得的三維形貌圖像進行粗糙度計算、厚度、步寬、方框圖或顆粒度分析. 結(jié)合AFM樣品制備技術(shù)與AFM表征技術(shù)的近代物理實驗，融入研究性實驗的各個環(huán)節(jié)，采用不同組別的學生制備不同類型的樣品，利用AFM進行表面形貌的表征，再結(jié)合實驗結(jié)果進行課堂討論，讓學生掌握AFM的基本原理的同時，掌握樣品制備技術(shù)和學習AFM測試表征的表面狀態(tài)信息.

2實驗原理

AFM是一種以物理學原理為基礎，通過掃描探針與樣品表面原子的相互作用而成像的新型表面分析儀器. AFM是利用原子之間的范德華力的作用來呈現(xiàn)樣品的表面特性[2,6]. 利用該力的性質(zhì)，可以讓針尖與樣品處于不同的間距，從而實現(xiàn)AFM不同的工作模式：接觸模式(contact mode)、非接觸模式(non-contact mode)及輕敲模式(tapping mode). 表1為AFM的3種掃描模式的相互作用力、分辨率及對樣品的影響的比較.

表1　不同掃描模式的相互作用力、分辨率以及對樣品的影響

在AFM的系統(tǒng)中，利用微小探針與待測物之間交互作用力，來呈現(xiàn)待測物的表面形貌變化的物理特性. 針尖和樣品之間的作用力F與微懸臂的形變d之間遵循胡克定律：

F=-kd,

(1)

式中，k代表微懸臂的彈性常量，d為微懸臂的彎曲形變距離. 圖1給出了AFM的結(jié)構(gòu)簡圖[1,2,6]. 它是將對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖,針尖與樣品的表面輕輕接觸. 由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，通過掃描時控制排斥力的作用，使帶有針尖的微懸臂對應于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運動測出表面的形貌. 利用激光反射檢測法，可以測得微懸臂對應于掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品的表面形貌的信息. AFM的關鍵組成部分是頭上帶有用來掃描樣品表面的尖細探針的微小懸臂(cantilever). 這種懸臂大小在數(shù)十至數(shù)百μm，通常由硅或者氮化硅構(gòu)成，其上載有探針，探針的尖端的曲率半徑則在nm量級. 當探針被放置到樣品表面附近時，懸臂上的探針頭會因為受到樣品表面的力而遵從胡克定律彎曲偏移. 激光二極管的光線聚焦在懸臂的背面. 當懸臂在力的作用下彎曲時，反射光產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，使用位敏光電檢測器測量偏轉(zhuǎn)角. 然后通過計算機對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，從而得到樣品表面的三維圖像. 完整的懸臂探針置放于受壓電陶瓷掃描器控制的樣品表面，在3個方向上以0.1 nm或更小的步寬進行掃描[11-17]. 當在樣品表面詳細掃繪(XY軸)時，懸臂的位移反饋控制的Z軸作用下保存固定不變. 以對掃描反應是反饋的Z軸值被輸入計算機處理，得出樣品表面的觀察圖像(3D圖像).

圖1　原子力顯微鏡結(jié)構(gòu)簡圖

3實驗裝置和方法

用于實驗教學的原子力顯微鏡有2種型號：國產(chǎn)的掃描探針顯微鏡系統(tǒng)(廣州本原，CSPM5500型)和進口原子力顯微鏡(日本精工，Nanocute II). 其中國產(chǎn)的CSPM型掃描探針顯微鏡可作為掃描隧道顯微鏡(STM，橫向0.1 nm, 垂直0.01 nm)教學科研實驗使用，也可以作為原子力顯微鏡(AFM，橫向0.2 nm, 垂直0.1 nm)教學實驗科研使用. 輕敲模式的探針購買自BudgetSensors，懸臂彈性系數(shù)40 N/m，共振頻率300 kHz. 樣品在室溫下以輕敲模式在空氣中掃描成像. 所有圖像采集的掃描頻率為1 Hz.

金屬鋁薄膜樣品采用磁控濺射的方法制備(北京泰科諾科技有限公司的JCP-350M3高真空磁控濺射鍍膜機). 聚苯乙烯微球粒度標準物質(zhì)(350 nm和60 nm)采購自中國石油大學(北京)標準化研究室. DNA分散到云母片的樣品采用直接稀釋分散處理和冰水冷卻結(jié)合的方法制備.

4分析討論

學生在實驗過程中，首先要學會如何操作AFM. 其操作難點主要是針尖安裝和激光光路調(diào)整. 通過教師示范操作與學生練習相結(jié)合的方法訓練學生的針尖安裝技能，通過幾次練習，學生能基本掌握針尖安裝技巧. 而激光光路調(diào)整方面，首先學生通過專門制作的激光光路調(diào)整視頻課件學習調(diào)節(jié)過程，然后教師結(jié)合激光反射到白紙成像法進行示范操作，讓學生很直觀地觀察到調(diào)節(jié)過程中的各實驗現(xiàn)象，以利于學生獨立操作時判斷調(diào)節(jié)程度的好壞. 接著學生自己調(diào)節(jié)光路，直到完全掌握AFM激光光路的調(diào)整. 掌握儀器使用后，“AFM能做什么”是接下來學生學習的重點，利用AFM對制備的樣品進行測試表征工作.

圖2給出了通過磁控濺射方法控制沉積時間的不同厚度的金屬鋁薄膜的AFM圖像. 由圖2可分析得出，隨著沉積時間的增加，沉積厚度相應增加，圖2(a)的金屬鋁的納米顆粒尺寸較小，約5~10 nm，表面起伏較大，均勻性較差，圖2(b)的納米顆粒尺寸增加到10~15 nm，表面粗糙度仍然很大，均勻性差，圖2(c)的納米顆粒尺寸增加到15~20 nm，顆粒的均勻性較好. 從圖2中可得出，通過AFM圖像，可以直觀地得出表面的納米顆粒的尺寸大小、顆粒均勻分布情況以及表面粗糙程度. 根據(jù)不同沉積時間或沉積厚度的控制，通過AFM圖像的掃描觀察，可以確定所制備的薄膜的沉積具體工藝參量，可以更好地控制薄膜的質(zhì)量. 這樣學生既學習了薄膜樣品制備的技術(shù)，同時也掌握關于薄膜材料的表面表征方法.

(a)厚度5 nm　　　　　　　　　　　(b)厚度10 nm　　　　　　　　　　　(c)厚度20 nm圖2　沉積在硅襯底上的金屬鋁薄膜的原子力顯微鏡(Nanocute II)掃描圖像

圖3給出了國家級標準物質(zhì)聚苯乙烯微米納米球顆粒的AFM圖像. 標準物質(zhì)reference material(RM)是一種已經(jīng)確定了具有1個或多個足夠均勻的特性值的物質(zhì)或材料，作為分析測量行業(yè)中的“量具”，在校準測量儀器和裝置、評價測量分析方法、測量物質(zhì)或材料特性值和考核分析人員的操作技術(shù)水平，以及在生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的質(zhì)量控制等領域起著不可或缺的作用. 利用原子力顯微鏡表征單分散的標準物質(zhì)，可以由已知的標準物質(zhì)的顆粒尺寸，對原子力顯微鏡掃描圖像的標度進行標定，保證測量結(jié)果的準確性. 圖中給出的350 nm的標準物質(zhì)的粒徑均勻性非常好，但是60 nm的標準物質(zhì)的粒徑均勻性相對較差，這就說明在制備標準物質(zhì)時粒徑越小，其均勻性就越難保證，其不確定度就會增大. 通過該實驗讓學生掌握如何確定掃描圖像的標度的準確性，以及學會正確操作使用原子力顯微鏡.

(a)350 nm的聚苯乙烯微球

(b)60 nm聚苯乙烯納米球圖3　標準物質(zhì)的原子力顯微鏡(Nanocute Ⅱ)掃描圖像

AFM對生物材料樣品制備有一定的要求，包括:表面平整，高度起伏≤10 μm，襯底表面具有一定的硬度且表面平滑，如用新鮮解離的云母片等，樣品在基底表面要求相對均勻、分散. 氮氣展平，吹干. 固定好的樣品置于AFM 的掃描器上，即可進行生物大分子表面形態(tài)結(jié)構(gòu)的成像觀測. 圖4給出了雙螺旋結(jié)構(gòu)的DNA扭轉(zhuǎn)形成DNA 超螺旋結(jié)構(gòu)的三級結(jié)構(gòu)的AFM圖像，相當于其三級結(jié)構(gòu). 圖5給出了DNA分子伸展狀態(tài)的AFM圖像，內(nèi)插圖給出了局部選擇放大得到的DNA分子的精細結(jié)構(gòu)的AFM圖像，其單節(jié)點的尺寸在30 nm左右. 采用滴加Ni2+在云母片上來固定與展開DNA 分子，在一定程度上能破壞DNA 超螺旋結(jié)構(gòu)，便于DNA分子的舒展，有利于成像. 該實驗既能讓學生掌握原子力顯微鏡的原理和使用方法，同時學習一些基本的生物樣品制備方法，以及如何利用原子力顯微鏡表征生物樣品. 原子力顯微鏡在不同的工作模式及不同的環(huán)境下可以得到生物樣品的表面形貌、表面特性以及動力學過程等信息.

圖4　分散在云母片上的DNA的原子力顯微鏡(CSPM5500)掃描圖像

圖5　分散在云母片上的伸展開來的DNA樣品的原子力顯微鏡(CSPM5500)掃描圖像

通過對AFM的操作和測試，學生掌握了AFM儀器在科學研究中的作用，為學生將來的科研工作奠定基礎. 再次通過不同組的學生對不同樣品的制備和AFM掃描觀察，各組的學生都有各自對原子力顯微鏡的測試表征的認識以及相關樣品的制備知識，以各自的實驗結(jié)果為基礎，進行相互討論，加深學生對原子力顯微鏡的基本原理和操作的理解和掌握，同時學習不同樣品的制備技術(shù)和方法. 把實驗教學與實驗技能、實驗知識、科研創(chuàng)新前景貫穿起來，活躍課堂教學氛圍，充分調(diào)動學生的學習興趣和愛好，并體現(xiàn)在整個教學的各個環(huán)節(jié)中.

5結(jié)束語

AFM幾乎可以對所有的物體進行研究，其具有原子級高分辨率，可以觀察單個原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，因而可直接觀察到表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置等，可實時得到樣品表面的三維圖像，這種可實時觀察的性能可用于表面擴散等動態(tài)過程的研究. 近年來，隨著科學技術(shù)的不斷改進和發(fā)展，許多新型AFM工作模式不斷涌現(xiàn)，與其他技術(shù)(如拉曼光譜等光學技術(shù))聯(lián)用，進一步拓展在各學科的應用，AFM 的功能以及應用范圍也將不斷地擴大和深入，必將推動科學技術(shù)的巨大進步. 在大學物理實驗教學中，面向本科生開設STM實驗和AFM實驗，在把近代物理實驗技術(shù)引進實驗教學課堂的同時，使用現(xiàn)代化的實驗教學方法優(yōu)化實驗教學模式，拓寬學生的知識層面，使學生在課堂上所學的理論知識和實驗中觀察的現(xiàn)象有機結(jié)合在一起，從而激發(fā)學生對研究性實驗學習的興趣，提高了對理論知識探究的積極性，為學生發(fā)揮創(chuàng)造性思維奠定了基礎.

參考文獻：

[1]嚴雋玨. 掃描隧道顯微鏡[J]. 物理實驗，1989，9(4)：177-179.

[2]彭昌盛，宋少先，谷慶寶. 掃描探針顯微技術(shù)理論與應用[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2007:53-82.

[3]莫其峰，黃創(chuàng)高，田建民，等. 原子力顯微鏡與表面形貌觀察[J]. 廣西物理，2007,28(2)：46-49.

[4]冉詩勇，王艷偉，楊光參. 原子力顯微鏡掃描成像DNA分子[J]. 物理實驗，2011，31(11)：1-4.

[5]白春禮. 掃描隧道顯微術(shù)及其應用[M]. 上海：上海科技出版社，1992:90-105.

[6]白春禮，田芳，羅克. 掃描力顯微鏡[M]. 北京：科學出版社，2000:67-93.

[7]楊旭剛，楊瀟. 原子力顯微術(shù)及其應用[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2012:48-107.

[8]蔡德斌，劉方新，謝寧，等. STM教學實驗樣品的拓展[J]. 物理實驗，2007，27(6)：11-13.

[9]熊正燁，丘翠環(huán)，張鴻，等. 用掃描隧道顯微鏡(STM)觀察納米粉體的形貌[J]. 物理實驗，1999,20(6)：3-5.

[10]冉詩勇，王艷偉，楊光參. DNA分子力學性質(zhì)的測量[J]. 物理實驗，2011，31(7)：1-4.

[11]白春禮. 原子力顯微鏡的研制和應用[J]. 中國科學院院刊，1990(4)：340-343.

[12]馬孜，呂百達，肖琦，等. 光學薄膜表面形貌的原子力顯微鏡觀察[J]. 電子顯微學報，2000，19(5)：704-708.

[13]王中平，張權(quán)，朱玲，等. CCD成像輔助激光散斑實驗[J]. 物理實驗，2010,30(10)：11-14.

[14]王琦，周肇偉. 掃描隧道效應顯微鏡的發(fā)展[J]. 物理實驗，1988，8(8)：136-138.

[15]王中平，張權(quán)，朱玲，等. 激光散斑照相法測量壓電陶瓷管的電壓響應位移特性[J]. 物理實驗，2013，33(3)：39-42.

[16]谷坤明，湯皎寧，李冀，等. 掃描探針顯微鏡應用于材料納米摩擦學研究的若干技術(shù)問題[J]. 物理實驗，2007，27(2)：11-15.

[17]林璋，王琛，馮喜增，等. 亞精胺誘導DNA凝聚的有序性的AFM研究[J]. 電子顯微學報，1999，18(1)：106-110.

[責任編輯：任德香]

Experimental teaching study of different kinds of samples by atomic force microscopy

WANG Zhong-ping， XIE Ning， ZHANG Xian-feng， ZHANG Zeng-ming， SUN La-zhen

(Physics Experiment Teaching Center, School of Physical Sciences,University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Abstract:Students in different groups performed the experiments of atomic force microscopy using different kinds of samples, including metal or metal oxide thin films deposited on silicon substrates by magnetron sputtering, reference materials dispersed on silicon substrates, DNA or biological material dispersions on mica surface, etc. The different groups obtained different types of sample images by atomic force microscopy at room temperature in tapping or contact mode, and then they compared the experimental results and discussed with each other, leading to comprehensive study and mastering of atomic force microscopy. The experiment combined modern sample preparation methods, standardization knowledge and modern testing technology, its contents were reasonably arranged, advanced, and suitable for undergraduate research-oriented experiments.

Key words:atom force microscopy; reference material; metal thin film; DNA

中圖分類號：TH742

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2015)05-0024-06

作者簡介：王中平(1976-)，男，山東臨沂人，中國科學技術(shù)大學物理學院副教授，博士，從事凝聚態(tài)物理研究.

收稿日期：2014-07-20；修改日期：2015-03-05

“第8屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文

資助項目：中國科學技術(shù)大學教學研究項目(No.2014jxxm009)