徐井华，李 强

(通化师范学院 物理学院，吉林 通化 134002)

纳米技术是二十世纪八十年代末期诞生并迅速发展起来的高新技术，美国、日本和欧洲等发达国家都把纳米技术作为二十一世纪产业革命的核心，我国也把纳米技术列入优先发展的高新科技的行列之中[1].纳米技术发展的重要基础，就是以扫描隧道显微镜(STM[2])和原子力显微镜(AFM[3])为代表的扫描探针显微镜(SPM[4])技术.在扫描探针显微镜家族中，AFM的普及速度远远超过STM，应用领域也更为广泛，这是因为STM无法测定非导体样本，而自然界中存在的物质以及工业产品大多都是绝缘材料.AFM以其高分辨率、操作简单、制样容易等特点而备受关注，并已在物理化学、材料学、生命科学等学科领域发挥了重大作用，极大的推进了纳米科技的发展.国际上关于AFM的文章层出不穷，并已经获得了很大的成就，但我国的AFM普及率和使用率却较低，研究成果较少.基于此，文章结合SPA-300HV型显微镜对AFM进行了介绍.

1 原子力显微镜、功能及其优点

1.1 原子力显微镜的功能

AFM最基本的功能是：通过检测探针和样品作用力来表征样品表面的三维形貌.因为样品表面的高低起伏情况可以准确的以数值的形式反馈回来，所以能够通过对样品表面整体的图像进行分析，得到样品表面的粗糙度、平均梯度、颗粒度、孔结构以及孔径分布的参数等；若对小范围的样品表面的图像进行分析，还可以获得物质的晶形结构、分子的结构、聚集状态、表面积及体积等方面的信息.

AFM的测量方法是力-距离曲线，这便可以传递出很多样品的信息.测量并记录探针在接近或是压入样品表面又离开的过程中所受到的力，得到针尖和样品间的力-距离曲线.再通过分析曲线，就可以得到样品表面的硬度、粘弹性、压弹性等物理性质；如果样品为生物分子或有机物，还可以通过探针与分子的结合拉伸知道分子的聚集状态、拉伸弹性、空间构象等一系列属性[5].

另外，AFM还可以对分子或原子机型操纵、加工和修饰，从而创造出新的结构和物质.

1.2 原子力显微镜的优点

AFM具有超高的空间分辨率，放大倍数远远超过以往的显微镜：光学显微镜的放大倍数一般不超过1000倍；电子显微镜的放大倍数的极限也就是100万倍；而AFM的放大倍数是电子显微镜的1000倍，高达10亿倍，也就是说可以直接观察到物质的分子和原子，为人类提供了探索微观世界的理想工具.

AFM具有广泛的研究对象，AFM不仅可以对导体、半导体进行研究，还可以对绝缘体材料进行研究，如：各种金属、半导体材料、陶瓷等；另外AFM还可以对生物样品进行研究，如动植物或细菌的组织、细胞、生物大分子等.

AFM的制样过程简单易行，只需对样品稍加固定便可进行观察.而其它显微镜对观察的样品却要进行繁琐的处理，如在生命科学研究领域，电子显微镜必须对样品进行脱水、包埋、切片、染色、固定等处理；激光扫描共聚显微镜必须对样品进行特殊的荧光染色；扫描隧道显微镜要求样品的表面具有导电性，否则就得进行镀金处理.

除上述优点，AFM还具有多样的试验环境.既可以在真空中试验，也可以在大气中，甚至还可以在溶液中观察样品，同时对温度没有特殊要求，高温、低温皆可以进行.

2 原子力显微镜的工作原理

AFM是用一个一端装有探针而另一端固定的弹性微悬臂来检测样品表面信息的.当探针扫描样品时，与样品和探针距离有关的相互作用力作用在针尖上，使微悬臂发生形变.AFM系统就是通过检测这个形变量，从而获得样品表面形貌及其他表面相关信息.

2.1 原子力作用机制

当两个物体的距离小到一定程度的时候，它们之间将会有原子力作用.这个力主要与针尖和样品之间的距离有关.从对微悬臂形变的作用效果来分，可简单将其分为吸引力和排斥力，它们分别在不同的工作模式下、不同的作用距离起主导作用．探针与样品的距离不同，作用力的大小也不相同，针尖/样品距离曲线如图1所示.

2.2 原子力显微镜的成像原理

AFM的微悬臂绵薄而修长，当对样品表面进行扫描时，针尖与样品之间力的作用会使微悬臂发生弹性形变，针尖碰到样品表面时，很容易弹起和起伏，它非常的灵敏，极小的力的作用也能反应出来.也就是说如果检测出这种形变，就可以知道针尖-样品间的相互作用力，从而得知样品的形貌.

微悬臂形变的检测方法一般有电容、隧道电流、外差、自差、激光二极管反馈、偏振、偏转方法.偏转方法是采用最多的方法，也是原子力显微镜批量生产所采用的方法.图2就是光束偏转法的原理图[6].

图1 针尖样品距离-力曲线 图2 光束偏转法原理图

2.3 原子力显微镜的工作模式

AFM主要有三种工作模式：接触模式(Contact Mode)、非接触模式(Non-contact Mode)和轻敲模式(Tapping Mode)，如图3.

图3 AFM工作模式示意图

接触模式中，针尖一直和样品接触并在其表面上简单地移动.针尖与样品间的相互作用力是两者相接触原子间的排斥力，其大小约为10-8～10-11N．接触模式就是靠这种斥力模式来获取样品表面形貌图像的，可产生稳定的、高分辨率的图像.但同时也存在着一些缺点，如在研究生物大分子、低弹性模量以及容易变形和移动的样品时，针尖和样品表面的排斥力会使样品原子的位置改变，使样品损坏；样品的原子容易粘附在探针上，污染探针针尖不利于成像；扫描时还可能使样品发生很大的形变，在图像数据中出现假象．

非接触模式是控制探针一直不与样品表面接触，让探针始终在样品上方5～20nm距离内扫描.因为探针与样品始终不接触，故而避免了接触模式中遇到的破坏样品和污染针尖的问题，灵敏度也比接触式高，但分辨率相对接触式较低，且非接触模式不适合在液体中成像.

轻敲模式是介于接触模式和非接触模式之间新发展起来的成像技术，类似与非接触模式，但微悬臂的共振频率的振幅相对非接触模式较大，一般在0.01～1nm．分辨率几乎和接触模式一样好，同时对样品的破坏也几乎完全消失，克服了以往常规模式的局限．

3 原子力显微镜的构成和实验操作

3.1 原子力显微镜的构成

SPA-300HV型显微镜主要包括以下四个系统：减震系统、头部系统、电子学控制系统、计算机软件系统(图4为结构图)．

3.2 原子力显微镜的实验操作

(1)程序启动：连通电源后，先开启计算机，再打开控制箱电源，运行软件控制系统，并让其处在硬件控制状态；结束实验时，也要先关闭控制箱电源，最后关闭计算机，这样可以有效地保护扫描管．

图4 AFM结构图

(2)数据操作：在文件系统窗口中打开数据图像文件，进入数据操作窗口.数据操作窗口主要包括：数据图像区、硬件状态区、调色板区、控制区开关、文件保存按钮．

(3)硬件控制：硬件控制区有扫描控制、硬件失调矫正、保存设定、马达控制4种工具，可以分别打开各自的控制工具区．

(4)硬件失调矫正：可以校准扫描器的压电常数．

(5)扫描控制：可以选择接触模式AFM控制模式、非接触模式AFM控制模式、轻敲式模式AFM控制模式．

实验步骤如下：启动系统、充气、安装Scanner、试样、Cantilever、抽真空、调整laser光轴、Approach测定范围、测定image、保存测定image、结束.

4 原子力显微镜的应用

4.1 原子力显微镜在电化学中的应用

现场STM在电化学中应用很广泛，但在实际实验操作时存在法拉第电流等影响，化学工作者们希望通过努力将AFM应用于现场电化学中，因为AFM在水或电解质溶液等电化学环境下工作稳定．1991年Manne等人首次实验获得成功，现在AFM已应用于现场电化学研究．这些研究主要有界面动态学、界面结构的表征、化学材料及结构，如研究和观察单晶、多晶局部表面结构、表面重构和表面缺陷、表面吸附物种的结构和形态、金属或半导体的表面电腐蚀过程、有机分子的电聚合及电极表面上的沉积、金属电极的氧化还原过程等[7]．

4.2 原子力显微镜在生命科学中的应用

AFM是生命科学研究中的有力工具，凭着自身的优势在生物学中迅速地发展．Lindsay等人用AFM获得了DNA的图像，之后AFM便成为了研究DNA分子的重要工具；halobacterium halobim首先用AFM研究紫膜上的视紫红蛋白，之后科学家们又对游离蛋白质进行研究并取得了很大的成功，如免疫蛋白、胶原蛋白、肌动蛋白、巨球蛋白等；AFM在多糖方面的研究比较晚，多糖具有很大的分子量，且支链较多，溶解困难，所以形貌图的效果很差，分辨率很低，但现今也取得了很大的进展．

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4.3 原子力显微镜在物理学中的应用

AFM在物理学中，主要应用于研究半导体和金属的表面重构、表面形貌、表面电子态及动态过程，超导体表面结构和电子态层状材料的电荷密度等．图5为稀土La掺杂ZnO薄膜样品不同掺杂浓度样品AFM形貌图.从图上可以看出样品表面均呈现为颗粒状，且颗粒生长比较均匀.从理论上可以通过晶体结构推断出金属表面结构，但实际上金属表面非常的复杂．衍射分析方法表明，在大多情况下，表面形成超晶体结构，可使表面自由能达到最小值．AFM可以得到某些金属或半导体的重构图像．

随着科技的不断发展，AFM自身也将不断的改进和发展，同时随着各个不同学科领域的学者对AFM了解的加深，AFM必将不断拓宽应用领域，不断深入到各个学科之中，成为人类科学发展的重要研究工具，发挥更大的作用．

参考文献：

[1]张冬仙.新型原子力显微镜的研制及其应用[J].光子学报，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]白春礼.扫描隧道显微术及其应用[M].上海:上海科学技术出版社，1991:91～129.

[5]朱杰.原子力显微镜的基本原理及其方法学研究[J].生命科学仪器，2005，3(1).

[6]熊丹.基于AFM与王涉光谱的薄膜厚度测量系统[D].杭州:浙江大学，2007.

[7]刘延辉.原子力显微镜及其在各个研究领域的应用[J].科技导报，2003(3).