原子力显微镜的应用和进展

摘要：从原子力显微镜诞生以来，由于其在表面观测上的高分辨率以及对表面的要求较低，这项技术被广泛的应用于科研的各个领域，极大的促进了各学科的发展。由于这项技术的重要性，在其诞生之后就一直被改进以满足不同学科不同场合的需求。本文从具体原子力实验出发概述原子力显微镜的应用以及改进方案。

关键词：原子力显微镜  压电微悬臂  敲击式AFM  探针功能化

1  引言

1996年Binning及其合作者在扫描隧道显微镜的基础上发明了AFM，它是利用原子、分子间的相互作用力(主要范德瓦尔斯力，价键力，表面张力，万有引力，以及静电力和磁力等)来观察物体表面微观形貌的新型实验技术。在这项表面观测技术发明以来已经被各学科所采纳、改进，以适应不同学科不同工作环境的需求。比如在生物及医学研究中要求不能对活体细胞产生太大影响，要求力更小以免对膜有破坏作用，同时也要求原子力显微镜的扫描更快，更方便以适应更多学科对它的需求，最好能实现更好的自动化，同时最好能应用于不同的环境。但现在而言原子力显微镜对环境的要求还是很高的，所以对原子力显微镜的改进也是件十分有意义的工作。现在有的一个想法是对原子力显微镜的微悬臂进行改造，用压电微悬臂[4]替代，这样直接利用压电微悬臂收集数据以替代激光放大。另外，将原子力显微镜应用于生物和医学的研究，也提出了对探针进行功能化[5]的要求。

2    原子力实验简介

2.1 实验原理

AFM探针和测试样品表面原子相互靠近时会产生原子间相互作用力，这种力使连接探针的微悬臂发生形变，而通过激光检测器和反馈系统调整样品在z轴方向的位置，使得探针和样品间的作用力保持恒定，通过测量检测信号对应样品的扫描位置的变化，就可以得到测试样品表面形貌特征。通常原子力显微镜AFM有几种运行模式：在斥力或接触模式中，力的量级为1∽10ev/（或∽N）；在引力或非接触模式中，范德瓦耳斯力、交换力、静电力或磁力被检测。这些不能提供原子分辨率但可得到表面有关的重要信息。[1]

对于原子力显微镜，通用的工作模式有接触（AFM）和敲击式（tapping AFM）。在敲击模式中，一种恒定的驱使力使探针悬臂以一定的频率振动。当针尖刚接触样品时，悬臂振幅会减少到某一数值。在扫描过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒定，亦即作用在样品上的力恒定，通过记录压电陶瓷管的移动得到样品表面形貌图。对于接触模式，由于探针和样品间的相互作用力会引起微悬臂发生形变，也就是说微悬臂的形变作为样品和针尖相互作用力的直接度量。同上述轻敲式，反馈系统保持针尖—样品作用力恒定从而得到表面形貌图。原子力显微镜是用微小探针“ 摸索”样品表面来获得信息，所以测得的图像是样品最表面的形貌，而没有深度信息。扫描过程中，探针在选定区域沿着样品表面逐行扫描[2]

2.2   AFM的结构[1][3]

AFM的结构主要包括激光器单元、微悬臂单元、压电扫描单元和光电检测与反馈单元。如图（1）所示：

图一  AFM的组成部件

2.2.1 微悬臂

微悬臂有矩形和三角形两种，微悬臂的力弹性常数介于0.1-lOON／m，即使探针与样品间零点几个纳牛顿(nN)的作用力均能够轻易被检测到。微悬臂的共振频率一般大于10kHz，目的是减小振动和声波的干扰。由于力弹性常数降低会使共振频率下降，如保持共振频率恒定的同时降低力弹性常数，就应减小微悬臂的质量，所以微悬臂的质量有越来越小的趋势。

2.2.2 探针

    AFM探针的材料通常为单晶硅(Si)和氮化硅(Si N )，探针针尖的形状有方锥体、圆锥体或超级针尖。金字塔形探针曲率半径为5～10nm，氮化硅的曲率半径为20～60nm。超级AFM探针是在原 AFM针尖上粘附碳纳米管，曲率半径为0．5～2nm，图像的分辨率更高。当样品尺寸与针尖曲率半径相当或更小时，会出现“加宽效应”，影响图像的准确度?。针尖越细长，扫描图像的质量越高，愈接近样品表面的真空形貌。

图二  AFM控制机箱及面板示意图

2.3   实验操作步骤[3]

(1)AFM仪器开机

电源与控制机箱连接线等已无误，不需确认。依次打开计算机电源、机箱低压电源 、高压电源、激光器电源等。

(2)样品——探针进给

   样品进给提供粗调和细调两种进给机构。先用粗调进给样品至约离探针１mm左右，再用细调机构，一边缓慢进给样品，一边观察PSD位置的光斑有变化，这时说明已接近进入反馈状态，接着观察反馈信号，更缓慢地进给样品，直至PSD信号显示为1.600左右，Ｚ反馈信号在-200～-300左右。注意这时不能再移动粗调和细调进给机构。接下来下面的操作让计算机控制系统自动调整和保持样品与探针之间的间距。

(3) 样品扫描

运行计算计扫描程序，根据需要设置扫描参数。单次扫描时间设定约15s左右，进入扫描工作状态。

(4) 图象显示与存储

扫描过程自动进行，图像以逐行显示的方式显示。在不改变扫描参数的情况下，扫描在同一区域循环重复进行。也可根据需要改变扫描区域和扫描范围。对于满意的图象，可随时将图像捕获存储。存储时，计算机自动保存图像信息和扫描参数信息。

(5) 退出扫描

如已获得理想的图像，不再做另外扫描，可按“退出”键退出扫描程序，用细调缓慢退移样品，直到Ｚ反馈信号在500以上，并将细调进给机构退移到底，退移粗调。

(6) AFM仪器关机

当不再进行样品扫描实验时，依次关闭激光器电源、高压电源、机箱低压电源等。

(7) 用配套软件对图像进行平面显示和立体显示

可实现图像的裁剪、平滑、旋转、添加色彩、加注标尺等，并可调整图像的色调、对比度和亮度等。如图（3—5）为多孔氧化铝正面结构材料的AFM图像， 图3—6为 多孔氧化铝背面结构材料的AFM图像。

3  实验结果

实验得到的样品扫描图样如下图所示：

图3.11   样品扫描图样(1)                        图3.12   放大三维立体图（1）

       图3.21    样品扫描图样（2）                  图3.22  样品扫描的三维图样（2）     

图3.31   样品扫描图样（3）                   图3.32   样品扫描的三维图样（3）

                

4    结果分析

本实验是个操作要求较高的实验，要花时间才能做得好，由于时间也很有限，所以本次试验的目的也不是一定也做出多好的成绩，关键在于锻炼一下基本操作，同时通过查找资料更广泛的了解AFM的构造以及制造、在不同学科上的应用这些方面来扩充视野倒是不无裨益的。

5  实验改进

5.1 微悬臂的改进

可以考虑采用压电微悬臂，用压电微悬臂采集信号，这样就可免去调节激光的麻烦，而且可以使得实验更加简便，实验装置更为简单。[4]另外对于微悬臂的材料也可以加以改进，使其具有更好的性能。如最近有人提出了用钨代替SiO2的方法：采用STM微位移检测装置，用很细(而弹性又好的钨丝制作简易又适用的新型微悬臂和针尖，可大大降低了微悬臂的制作成本，在碱溶液中，采用低压交流电化学腐蚀法，使钨丝尖部达到接近只有一个原子，即使碰撞后也只需腐蚀一下又可以继续使用。[7]

5.2 采用敲击模式

采用敲击式原子力显微镜。在敲击模式中，一种恒定的驱使力使探针悬臂以一定的频率振动。当针尖刚接触样品时，悬臂振幅会减少到某一数值。在扫描过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒定，亦即作用在样品上的力恒定，通过记录压电陶瓷管的移动得到样品表面形貌图对于接触模式，由于探针和样品间的相互作用力会引起微悬臂发生形变，也就是说微悬臂的形变作为样品和针尖相互作用力的直接度量。同上述轻敲式，反馈系统保持针尖—样品作用力恒定从而得到表面形貌图[2]

5.3 AFM在生物、医学上的应用——探针功能化

    作为最基础的学科，物理的发展往往能极大的推动其他学科的发展，很多的工程、生物、医学、化学的发展都得益于物理学探测技术的发展。事实已经证明，AFM技术是物理学对于人类对微观世界探索的有一大具里程碑意义的成就。

1986年 Binning及其合作者在扫描隧道显微镜 (scanning tunneling microscope，STM)的基础 上发明了 AFM，其卓越的高分辨率(0．5～1 nm)和能保持样品生理状态的制样方法，使研究人员能在生理条件下直接观察到高分辨率的生物样品表面结构。[6]

探针功能化是指通过化学或生物方法将各种生物分子固定在AFM的探针上。探针功能化使 AFM在力学测定功能之上又具备了分子识别能力，成为探测生物分子相互作用的有力 工具。[5]

近年来，AFM在提高分辨率、探针制作、探针功能化、样品制备和图像数据分析等方面取得了突飞猛进的发展。这些技术进步实现了在生理条件下直接观测生物单分子和在纳米尺度上直接操作生物单分子 ]。特别是以功能化探针为基础的黏附力成像和动态识别成像将 AFM具备的力谱测定和高分辨率成像能力与单分子问识别的特异性有机结合，实现了生物样品表面单分子定位、基于单分子识别的成像和样品组分探测。AFM力谱技术(force spectroscopy)可在生理条件下进行单分子水平的作用力谱分析，实现分子间作用力及其动态变化的实时测定。AFM是目前惟一能在纳米尺度上进行生物膜表面单分子作用力学测定的仪器[5].

在所有的这些进步中，最为重要且意味深远的成果便是将探针功能化，通过探针的功能化，AFM的作用已经不仅仅局限于探测表面的形状，还可用于进行更多方面的研究，如测量DNA之间的结合力、蛋白质配体和受体的结合等。

参考文献：

[1] 王宝玉,何北海,李军荣,孟云兰.原子力显微镜在制浆造纸研究中的应用.Paper Science& Technology,2010 Vo1.29 No.4.

[2] 刘岁林, 田云飞,陈红,吉晓江.原子力显微镜原理与应用技术. 现代仪器, 20##年第六期

[3]近代物理讲义,浙江大学,ftp://10.71.23.250

[4]包定华，张良莹，姚熹. 压电微悬臂在原子力显微镜中的应用. 压电与声光,1 998年8月第2D卷第4期

[5]陈建敏,杨拯,何彦芳. 基于原子力显微镜的单分子探测技术及其在医学研究中的应用. 重庆医学20##年7月第39卷第14期

[6]Dufrene YF，Hinterdorfer P．Recent progress in AFM molecular recognition studies[J]．Pflugers Arch，2008，456(1)

[7] 彭光含,杨学恒，刘济春，李旭，辛洪政.一种高精度多功能双用原子力显微镜技术及应用. 仪器仪表学报, 20##年1月第29卷第1期.

第二篇：原子力显微镜(AFM)