原子力顯微鏡在表面分析中的應用

王明友，王卓群，焦麗君

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原子力顯微鏡在表面分析中的應用

王明友，王卓群，焦麗君

（邢臺職業(yè)技術(shù)學院，河北邢臺 054035）

原子力顯微鏡（AFM）作為現(xiàn)代微觀領(lǐng)域研究的重要工具，在表面分析中具有廣泛的應用，它具有非常高的分辨率，是近年來表面成像技術(shù)中最重要的進展之一。本文介紹了利用原子力顯微鏡進行表面分析研究的基本原理以及原子力顯微鏡的硬件系統(tǒng)組成，重點介紹了利用原子力顯微鏡在生物、化學、材料等領(lǐng)域進行表面分析的現(xiàn)狀。

原子力顯微鏡；表面分析；工作原理

隨著納米材料以及超精密加工技術(shù)的發(fā)展，人們對于材料表面的納米級結(jié)構(gòu)等微觀現(xiàn)象的探索也一直在進步。近年來快速發(fā)展的一種新型掃描探針顯微鏡——原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，AFM）是一種具有原子級別高分辨率的新型表面分析儀器，它不但能像掃描隧道顯微鏡（STM）那樣觀察導體和半導體材料的表面現(xiàn)象，而且能用來觀察諸如玻璃、陶瓷等非導體表面的微觀結(jié)構(gòu)，還可以在氣體、水和油中無損傷地直接觀察物體，大大地拓展了顯微技術(shù)在生命科學、物理、化學、材料科學和表面科學等領(lǐng)域中的應用，具有廣闊的應用前景。

一、AFM觀察表面形貌的工作原理

AFM具有原子級高分辨率（對于剛性樣品，原子力顯微鏡通?？蛇_到原子級分辨率，但對于柔軟的生物材料，目前可達到的橫向分辨率為1-50nm），能夠看清材料表面原子層的局部結(jié)構(gòu)，因而可用于觀察材料表面缺陷、表面吸附體的形態(tài)等。

利用AFM進行表面分析的基本原理如下：AFM中有一由氮化硅片或硅片制成的對微弱力極敏感的彈性臂，微懸臂頂端有一硅或碳納米管等材料制成的微小針尖，控制這一針尖，使其掃描待測樣品的表面，這一過程是由壓電陶瓷三維掃描器驅(qū)動的。當針尖與樣品表面原子做相對運動時，作用在樣品與針尖之間的力會使微懸臂發(fā)生一定量的形變。通過光學或電學的方法檢測微懸臂的形變，轉(zhuǎn)化成為圖像輸出，即可用于樣品表面分析。簡單地說，原子力顯微鏡是通過分析樣品表面與一個微弱力敏感元件之間的相互作用力來呈現(xiàn)材料表面結(jié)構(gòu)的。

AFM的硬件系統(tǒng)由力檢測部分、位置檢測部分和反饋控制系統(tǒng)三部分組成。圖1所示為AFM的工作原理圖，從圖中可以看出，AFM就是通過集合以上三個系統(tǒng)來將樣品的表面特性反映出來的：在AFM的工作系統(tǒng)中，使用由微小懸臂和針尖組成的力檢測部分來感應樣品與針尖間的作用力；當微懸臂受力形變時，照射在微懸臂末端的激光會發(fā)生一定程度的偏移，此偏移量反射到激光檢測器的同時也會將信號傳遞給反饋控制系統(tǒng)；反饋控制系統(tǒng)根據(jù)接受的調(diào)節(jié)信號調(diào)節(jié)壓電陶瓷三維掃描器的位置，最終通過顯示系統(tǒng)將樣品表面的形貌特征以圖像的形式呈現(xiàn)出來。

二、AFM的工作模式

根據(jù)掃描時樣品與針尖的接觸形式不同，可以將AFM的工作模式分為不同的類型，常用的有以下三種：

（一）接觸工作模式

掃描時如果控制針尖一直與樣品表面原子或分子接觸，那么這種工作模式稱為接觸模式。在這一過程中，針尖原子與樣品表面原子之間力的作用主要表現(xiàn)為是兩者相接觸原子間的互斥力（大小約為10-8-10-11N）。接觸模式下工作的原子力顯微鏡可得到穩(wěn)定的、高分辨率的樣品表面圖像。但是這種工作模式也有它的不足之處：當研究易變形的樣品（液體樣品）、生物大分子等的時候，由于針尖與樣品原子直接接觸，會使樣品表面的原子移動、粘附于針尖或者發(fā)生較大形變，從而造成樣品損壞、污染針尖或者結(jié)果中出現(xiàn)假象。

圖1 AFM工作原理圖

圖2 磁力驅(qū)動的間歇接觸模式

（二）非接觸工作模式

掃描時如果控制針尖一直不與樣品表面的原子或分子接觸，那么這種工作模式稱為非接觸模式。非接觸工作模式下由于掃描樣品時針尖始終在樣品上方5-20 nm距離范圍內(nèi)，針尖與樣品間的距離較接觸模式遠，所以獲得的樣品表面圖像分辨率相對接觸模式較低。但正是這一距離也克服了接觸模式的不足之處，不再會造成樣品的損壞、針尖污染等問題，靈敏度也提高了。

（三）間歇接觸工作模式

掃描時如果控制針尖間歇性的與樣品表面的原子或分子接觸，那么這種工作模式稱為間歇接觸模式，也稱為輕敲模式，常通過振動來實現(xiàn)針尖與樣品的間歇性接觸。圖2所示為磁力驅(qū)動的間歇接觸模式示意圖，該模式下微懸臂的振動是由磁線圈產(chǎn)生的交流磁場直接激發(fā)的，針尖與樣品表面原子作用力主要是垂直方向的，不再受橫向力的影響。間歇接觸工作模式集合了接觸與非接觸模式的優(yōu)點，既減少了剪切力對樣品表面的破壞，又適用于柔軟的樣品表面成像，因此特別適合于生物樣品研究。

三、AFM在表面分析中的應用

AFM的放大倍數(shù)遠遠高于以往的顯微鏡，能達到10億倍，從而使其具有超高的空間分辨率，能達到納米水平，可以在氣體和液體氛圍中直接觀察各種材料制成的樣品的表面性質(zhì)，正逐步成為人們研究微觀科學的得力工具。

除了高分辨率的優(yōu)勢之外，原子力顯微鏡還能實現(xiàn)實時觀察樣品表面的三維結(jié)構(gòu)，這種可實時觀察的性能可用于分析材料表面的擴散現(xiàn)象等動態(tài)過程。

（一）在材料科學及化學中的應用

目前，AFM在材料科學中主要應用于材料的表面結(jié)構(gòu)、表面重構(gòu)現(xiàn)象以及表面的動態(tài)過程（例如擴散現(xiàn)象）等方面的研究，表面科學的中心內(nèi)容是研究晶體表面的原子結(jié)構(gòu)，例如從理論上推算出的金屬表面結(jié)構(gòu)往往不如實際復雜，借助原子力顯微鏡可以直觀地觀察材料的表面重構(gòu)現(xiàn)象，有助于理論的進一步完善。

由于能直接在液體氛圍中觀察材料表面，再結(jié)合其獨特的成像技術(shù)，原子力顯微鏡在化學研究領(lǐng)域也得到了廣泛的應用。目前，在化學中AFM主要用于研究各種化學材料及其表面結(jié)構(gòu)以及表面動態(tài)現(xiàn)象等方面。圖3 是用AFM表征的在不同氧氣分壓下制備的氧化鋅薄膜的表面結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示：試驗得到的ZnO薄膜質(zhì)量比較高，表現(xiàn)為其結(jié)晶度好，粒徑均勻。圖片顯示氧化鋅薄膜顆粒度隨氧氣分壓的增加而減小，分析原因是因為氧分壓的增加使得氧空位和鋅間隙逐漸減少所導致。

圖3 AFM表征ZnO薄膜的表面形貌

（二）在生命科學中的應用

AFM能在氣體、液體中無損傷地直接觀察物體，可對生物分子在近生理條件下進行檢測，是生命科學研究中的有力工具。目前，在生命科學中AFM 主要應用于對細胞、病毒、核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子的三維結(jié)構(gòu)和動態(tài)結(jié)構(gòu)信息進行研究。例如采用原子力顯微鏡在液體氛圍中觀察菠菜的光合膜蛋白，得到的結(jié)果如圖4所示，左側(cè)圖a中各蛋白質(zhì)微粒大小差異較大且相互交聯(lián)成片，其中最大的蛋白質(zhì)微粒的粒徑為299.2 nm，圖b中蛋白質(zhì)微粒大小均勻且比較分散，最大蛋白質(zhì)微粒的粒徑為17.1 nm。

利用原子力顯微鏡不僅可以在分子水平上對生物大分子進行成像，得到需要的結(jié)構(gòu)信息，而且還可以對生物分子相互作用的過程進行動態(tài)成像，研究特定的生物化學過程，以上內(nèi)容的研究對于人們揭示生命的奧秘具有十分重要的意義。

圖a蛋白微粒聚集的地方 圖b蛋白微粒較分散的地方

圖4 菠菜PSⅡ顆粒的AFM圖

四、結(jié)論

AFM以其超高的分辨率及圖像表征技術(shù)在表面分析、微探測及納米技術(shù)等方面具有獨特的優(yōu)勢，幫助人們在材料科學、化學、生命科學等學科領(lǐng)域取得了諸多研究成果。隨著AFM技術(shù)方法的不斷發(fā)展與完善，以及不同學科領(lǐng)域的學者對認識的加深，AFM的應用范圍必將日漸擴大，對人類科學的發(fā)展做出更大的貢獻。

[1]魯哲學，張志凌，龐代文.原子力顯微鏡技術(shù)及其在細胞生物學中的應用[J].科學通報，2005，50（12）.

[2]徐井華，李強.原子力顯微鏡的工作原理及其應用[J].通化師范學院學報，2013，34（2）.

[3]張濤.原子力顯微鏡在材料和生命科學中的應用研究[D].大連：大連理工大學，2008.

[4]張晶.納米材料表面形貌和粒徑的原子力顯微鏡研究[D].長春：吉林大學，2006.

（責任編輯 王傲冰）

Application of AFM in the Surface Analysis

WANG Ming-you，WANG Zhuo-qun，JIAO Li-jun

（Xingtai Polytechnic College, Xingtai, Hebei 054035, China）

As an important tool in the research of modern micro field, AFM is widely used in surface analysis, which has a very high resolution, is becoming the most important development surface imaging technology in recent years. The basic principle and hardware of atomic force microscope were reviewed in the paper, the present situation of surface analysis of AFM in biology, chemistry, material and other fields is emphasized.

atomic force microscopy; surface analysis; working principle

TH742

A

1008—6129（2015）01—0075—04

2014—12—10

王明友（1986—），山東安丘人，邢臺職業(yè)技術(shù)學院資源與環(huán)境工程系，助教。