原子力显微镜在材料科学研究中的应用
摘要
此论文简要叙述了原子力显微镜的工作原理及特点，介绍其在材料科学中的应用，指出原子力显微镜在材料的研究过程中有广阔得应用前景。原子力显微镜为扫描探针显微镜家族的一员，具有纳米级的分辨能力，其操作容易简便，是目前研究纳米科技和材料分析的最重要的工具之一。原子力显微镜是利用探针和样品间原子作用力的关系来得知样品的表面形貌。至今，原子力显微镜已发展出许多分析功能，原子力显微技术已经是当今科学研究中不可缺少的重要分析仪器。
关键词：原子力显微镜，材料，扫描探针，表面形貌
Application of Atomic Force Microscope in Material Research
ABSTRACT
The priciple and character of atomic force microscope is depicted by this article and we also introduced the application of atomic force microscope.Great superiority and potential of application in field of material is showed.Atomic force microscope is number of the scanning probe microscope family.It is capable of generating3D images of surface topography with nanometer.Also it will be operated easily.Consequently,it is the most useful instrument which can be utilized for nanometer technology and material research at present.atomic force microscope scans the surface by the force of atomic range,which generated by the probe and the specimens.Nowadays the atomic force microscope have owned many analytical functions. And the atomic force microsco pic technology is indispensable in the technological research currently.
KEY WORDS
WORDS::atomic force microscope,material,scanning probe,surface topography
目录
摘要...........................................................................................................................................I ABSTRACT...............................................................................................................................II 1原子力显微镜的基本知识.. (1)
1.1显微技术概述 (1)
1.1.1前言 (1)
1.1.2原子力显微镜(AFM)综述 (1)
1.2原子力显微镜工作原理 (2)
1.2.1原子力显微镜原理概述 (2)
1.2.2原子力显微镜的基本操作模式 (3)
1.2.3原子力显微镜量测架构 (4)
1.3原子力显微镜的功能技术 (5)
1.3.1相位式原子力显微镜 (5)
1.3.2扫描式磁场力显微镜 (5)
1.3.3侧向力显微镜 (6)
1.3.4扫描式热梯度探针显微镜 (7)
1.3.5扫描式电场力显微镜 (7)
1.3.6液相原子力显微镜 (8)
1.3.7微影操控术 (8)
2原子力显微镜在材料科学研究中的应用 (10)
2.1在材料科学方面中的应用 (10)
2.1.1三维形貌观测 (10)
2.1.2纳米材料与粉体材料的分析 (11)
2.1.3成分分析 (12)
2.1.4晶体生长方面的应用 (13)
2.1.5在薄膜技术中的应用 (14)
2.2在其它有关方面中的应用 (17)
2.2.1在生物学中的应用 (17)
2.2.2在物理学中的应用 (18)
2.2.3在化学中的应用 (19)
3原子力显微镜在材料科学研究方面的应用实验 (20)
3.1实验综述 (20)
3.2氧化锡红外反射薄膜制备的基本原理 (20)
3.3实验仪器与样品 (21)
3.4原子力显微镜对红外反射薄膜的测试 (22)
3.4.1系统启动 (22)
3.4.2试样的制备要求 (22)
3.4.3安装试样台 (22)
3.4.4Cantilever的安装 (22)
3.4.5调整激光光轴并进行调节测试 (23)
3.5原子力显微镜的表面分析 (23)
4原子力显微镜与其它显微分析技术 (25)
4.1原子力显微镜与其它显微分析技术的比较 (25)
4.2原子力显微镜与扫描电子显微镜 (27)
参考文献 (29)
1原子力显微镜的基本知识
1.1显微技术概述
1.1.1前言
在近代仪器发展史上，显微技术一直随着人类科技进步而不断的快速发展，科学研究及材料发展也随着新的显微技术的发明，而推至前所未有的微小世界。自从1982年Binning与Robher等人共同发明扫描穿隧显微镜(scanning tunneling microscope,STM)之后，人类在探讨原子尺度的欲望上，更向前跨出了一大步，对于材料表面现象的研究也能更加的深入了解，在这之前，能直接看到原子尺寸的仪器只有场离子显微镜(Field ion microscopy,FIM)与电子显微镜(Electron microscope,EM)。但碍于试片制备条件及操作环境的限制，对于原子尺寸的研究极为有限，而STM的发明则克服了这些问题。由于，STM 其原理主要是利用电子穿隧的效应来得到原子影像，材料须具备导电性，应用上有所限制，而在1986年Binning等人利用此探针的观念又发展出原子力显微镜(Atomic force microscope,AFM)，AFM不但具有原子尺寸解析的能力，亦解决了STM在导体上的限制，应用上更为方便。
自扫描式穿隧显微镜问世以来，更有几十种类型的探针显微镜一直不断地被开发出来，以探针方式的扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,SPM)是个大家族，其中较熟识之技术如：扫描式穿隧显微镜(STM)，近场光学显微镜(NSOM)，磁力显微镜(MFM)，化学力显微镜(CFM)，扫描式热电探针显微镜(SThM)，相位式探针显微镜(PDM)，静电力显微镜(EFM)、侧向摩擦力显微镜(LFM)，原子力显微镜(AFM)等。
1.1.2原子力显微镜(AFM)综述
最早扫描式显微技术(STM)使我们能观察表面原子级影像，但是STM的样品基本上要求为导体，同时表面必须非常平整，而使STM使用受到很大的限制。而目前的各种扫描式探针显微技术中，以原子力显微镜(AFM)应用是最为广泛，AFM是以针尖与样品之间的属于原子级力场作用力，所以又被称为原子力显微镜。AFM可适用于各种的物品，如金属材料、高分子聚合物、生物细胞等，并可以操作在大气、真空、电性及液相等环境，进行不同物性分析，所以AFM最大的特点是其在空气中或液体环境中都可以操作，因此，AFM在生物材料、晶体生长、作用力的研究等方面有广泛的应用。根据针尖与样品材料的不同及针尖－样品距离的不同，针尖与样品之间的作用力可以是原子间斥力、范德瓦尔斯吸引力、弹性力、粘附力、磁力和静电力以及针尖在扫描时产生的摩擦力。通过控制并检测针尖与样品之间的这些作用力，不仅可以高分辨率表征样品表面形貌，还可分析与作用力相应的表面性质：摩擦力显微镜可分析研究材料的摩擦系
数；磁力显微镜可研究样品表面的磁畴分布，成为分析磁性材料的强有力工具；利用电力显微镜可分析样品表面电势、薄膜的介电常数和沉积电荷等。另外，AFM还可对原子和分子进行操纵、修饰和加工，并设计和创造出新的结构和物质。
1.2原子力显微镜工作原理
1.2.1原子力显微镜原理概述
AFM是在STM基础上发展起来的，是通过测量样品表面分子(原子)与AFM微悬臂探针之间的相互作用力，来观测样品表面的形貌。AFM与STM的主要区别是以1个一端固定而另一端装在弹性微悬臂上的尖锐针尖代替隧道探针，以探测微悬臂受力产生的微小形变代替探测微小的隧道电流。其工作原理：将一个对极微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种作用力恒定，带有针尖的微悬臂将对应于原子间的作用力的等位面，在垂直于样品表面方向上起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得对应于扫描各点的位置变化，将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像。AFM主要是由执行光栅扫描和z定位的压电扫描器、反馈电子线路、光学反射系统、探针、防震系统以及计算机控制系统构成。压电陶瓷管(PZT)控制样品在x、y、z方向的移动，当样品相对针尖沿着xy方向扫描时，由于表面的高低起伏使得针尖、样品之间的距离发生改变。当激光束照射到微悬臂的背面，再反射位置灵敏的光电检测器时，检测器不同象限收到的激光强度差值，同微悬臂的形变量形成一定的比例关系。反馈回路根据检测器信号与预置值的差值，不断调整针尖、样品之间的距离，并且保持针尖、样品之间的作用力不变，就可以得到表面形貌像。这种测量模式称为恒力模式。当已知样品表面非常平滑时，可以采用恒高模式进行扫描，即针尖、样品之间距离保持恒定。这时针尖、样品之间的作用力大小直接反映了表面的形貌图像。
图1-1作用力与距离的关系及AFM工作原理示意
1.2.2原子力显微镜的基本操作模式
目前现有三种基本操作模式，可区分为接触式（contact）、非接触式（non-contact）及轻敲式（tapping）三大类。接触式及非接触式易受外界其它因素，如水分子的吸引，而造成刮伤材料表面及分辨率差所引起之影像失真问题，使用上会有限制，尤其在生物及高分子软性材料上。以下简单介绍三种基本形式的基本原理：
（1）接触式(Contact mode)：利用探针的针尖与待测物表面之原子力交互作用(一定要接触)，使非常软的探针臂产生偏折，此时用特殊微小的雷射光照射探针臂背面，被探针臂反射的雷射光以二相的photo diode(雷射光相位侦检器)来记录雷射光被探针臂偏移的变化，探针与样品间产生原子间的排斥力约为10-6至10-9牛顿。但是，由于探针与表面有接触，因此过大的作用力仍会损坏样品，尤其是对软性材质如高分子聚合物、细胞生物等。不过在较硬材料上通常会得到较佳的分辨率。
（2）非接触式(Non-contact mode)：为了解决接触式AFM可能损坏样品的缺点，便有非接触式AFM被发展出来，这是利用原子间的长距离吸引力─范德华力来运作。Non-contact mode的探针必需不与待测物表面接触，利用微弱的范德华力对探针的振幅改变来回馈。探针与样品的距离及探针振幅必需严格遵守范德华力原理，因此造成探针与样品的距离不能太远，探针振幅不能太大(约2至5nm)，扫描速度不能太快等限制。样品置放于大气环境下，湿度超过30%时，会有一层5至10nm厚的水分子膜覆盖于样品表面上，造成不易回馈或回馈错误。
（3）轻敲式AFM(Tapping mode)：将非接触式AFM加以改良，拉近探针与试片的距离，增加探针振幅功能(10～300KHz)，其作用力约为10-12牛顿，Tapping mode的探针有共振振动，探针振幅可调整而与材料表面有间歇性轻微跳动接触，探针在振荡至波谷时接触样品，由于样品的表面高低起伏，使得振幅改变，再利用回馈控制方式，便能取得高度影像。Tapping mode AFM的振幅可适当调整小至不受水分子膜干扰，大至不硬敲样品表面而损伤探针，XY面终极分辨率为2nm。Tapping mode AFM探针下压力量可视为一种弹性作用，不会对z方向造成永久性破坏。在x y方向，因探针是间歇性跳动接触，不会像对Contact mode在x y方向一直拖曳而造成永久性破坏。但由于高频率探针敲击，对很硬的样品，探针针尖可能受损。如图1-2
图1-2经敲击式后探针的尖端损耗
图1-3为两种不同操作模式下得到的照片。
接触式敲击式
图1-3两种不同模式下的图片对比
1.2.3原子力显微镜测量架构
AFM的探针一般由悬臂梁及针尖所组成，主要原理是由针尖与试片间的原子作用力，使悬臂梁产生微细位移，以测得表面结构形状，其中最常用的距离控制方式为光束偏折技术。AFM的主要结构可分为探针、偏移量侦测器、扫描仪、回馈电路及计算机控制系统五大部分。AFM探针长度只有几微米长，探针放置于一弹性悬臂(cantilever)
、SiN4、纳米碳管等所组成，当探针尖端和样品表面非末端，探针一般由成份Si、SiO
2
常接近时，二者之间会产生一股作用力，其作用力的大小值会随着与样品距离的不同而变化，进而影响到悬臂弯曲或偏斜的程度，以低功率雷射打在悬臂末端上，利用一组感光二极管侦测器(Photo detector)测量低功率雷射光反射角度的变化，因此当探针扫描过样品表面时，由于反射的雷射光角度的变化，感光二极管的二极管电流也会随之不同，由测量电流的变化，可推算出这些悬臂被弯曲或歪斜的程度，由输入计算机计算可产生样品表面三维空间的一张影像。
纳米碳管探针由于探针针尖的尖锐程度决定影像的分辨率，愈细的针尖相对可得到更高的分辨率，因此具有纳米尺寸碳管探针，是目前探针材料明日之星。纳米碳管(carbon nanotube)是由许多五碳环及六碳环所构成的空心圆柱体，因为纳米碳管具有优异的电性、弹性与轫度，很适合作为原子力显微镜的探针针尖，因其末端的面积很小，直径1～20nm，长度为数十纳米。碳纳米管因为具有极佳弹性弯曲及韧性，可以减少在样品上的作用力，避免样品的成像损伤，使用寿命长，可适用于比较脆弱的有机物和生物样品。
1.3原子力显微镜的功能技术
1.3.1相位式原子力显微镜(Phase Imaging Force Microscope)
原子力显微镜在轻敲式AFM(tapping mode)操作下，量测及回馈因表面抵挡及黏滞力的作用，会引起振动探针的相位改变量，而抵挡及黏滞力的差异为不同材料性质引起，因此有机会用相位差(Phase lag)来观察表面定性材质分布状况。因相位改变量比起振幅改变量来得敏感，可较易观察平面分布。在操作控制探针与表面的交互作用力上，可使用Light Tapping方式(较少力量)达到非破坏性分析，也可使用Hard Tapping方式(较大力量)达到穿透性，量测及回馈次表面特性，尤其对高分子聚合物及生物分子样品有非常好的性质观察。因为利用探针跳动扫描时表面的高度变化会影响振幅的大小，所以利用振幅变化可以得知表面的结构，但是当表面的成分不同时也会造成探针跳动频率变化，以及相位变化，例如当表面有些区域的性质特别软，造成探针再此区域扫描时跳动的频率变慢，且会产生一相位差，所以利用此一特性让扫描探针显微镜能观察到除了表面形貌之外的不同成份性质，如图1-4所示。
图1-4相位原子力显微镜分析表面不同成份影像变化
1.3.2扫描式磁场力显微镜(Magnetic Force Microscope,MFM)
扫描式磁场力显微镜利用具磁性的探针(Si)镀上一层磁性Co-Cr合金，第一次扫描时Tapping Mode AFM的振幅用来量测表面高低，分辨率约20～50nm。在Lift第二次扫描时，振幅受现有磁场变化，依Lift提升高度而变更，可为雷射光侦测器得知，此差异讯号可用来判断表面磁场分布，最容易同时得到AF M及磁场分布影像，但是磁场大小却无法得知。Tapping Mode和Lift Mode的操作应用，扫描前必须探针磁化，然后先以Tapping Mode取得高度变化的影像，然后再利用Lift Mode量测存在表面上方的磁场分布，因为探针已经经过磁化所以在表面上方扫描时只会感应有磁场的区域，如图1-5。由于样品磁场大小有不一样的特性，不能使用具强磁性的探针去扫描软磁性的样品，否则样品磁场会被强磁性的探针所干扰，造成一堆杂乱讯号。
图1-5扫描式磁场力显微镜磁场分布影像
1.3.3侧向力显微镜(Lateral force Microscope,LFM)
LFM的作用方式主要是使探针与样品表面相接触并在表面上平移，利用探针移动时所承受样品表面摩擦力以及样品表面高低起伏造成悬臂的偏斜量来探知样品的材质与表面特性。图1-6的样品是在硅表面放置的单层Langmuir-Blod gett(LB)影片。它通过在每条扫描线(快速的扫描方向)从左到右扫描获得。在从快速的扫描方向相反扫描(从右到左)导致原象。
图1-6硅表面放置的单层Langmuir-Blodgett(LB)影片
1.3.4扫描式热梯度探针显微镜(Scanning Thermal microscope,SThM)
利用探针悬臂上加镀的电路，工件表面的热梯度会驱动电路产生电流，此电流可被量测得知。在Contact mode或Tapping mode AFM操作下，均可在变温控制下操作，观察材质与温度的关系。可提供50℃到250℃于空气的操作。系统设计上有(1)隔热保护装置，确保扫描仪不受热而尺寸失序。(2)探针温度补偿，使表面温度与输入温度一致。(3)可程序化温控，迅速变。如图1-7所示得到PP高分子热度结晶变化之影像。
图1-7扫描式热梯度探针显微镜观察PP结晶热行为变化影像
1.3.5扫描式电场力显微镜(Electrical Force Microscope,EFM)
扫描式电场力显微镜利用Lift Mode operation(提升操作)功能，首先将可导电之探针在第一次扫描时，以Tapping Mode AFM的振幅用来量测表面高低，在Lift第二次扫描时，振幅受到现有表面电场变化，依Lift提升高度而变更，此变化可为雷射光侦测器得知，此差异讯号可用来判断表面导电分布，扫描时同时得到表面高低及导电性分布影像的二张图像，如图1-8所示。但是此方式无法得知电压大小，欲知电压大小，须用Surface Potential Meter方式量测。
图1-8扫描式电场力显微镜DVD-RW电场影像
1.3.6液相原子力显微镜(liq uid cell Force Microscope)
对生物分子研究而言，对DNA基本结构及功能的了解一直是科学家追求目标，早在
1953年DNA双螺旋结构的发现后，使人了解遗传讯息如何在这当中传送，并且也将生物研究推展到分子生物的领域，为了解个别分子的功能，许多解析分子结构的工具被发展出来；最先是X-ray绕射方法（DNA结构即由此方法解出），而后有核磁共振(NMR)，再加上近年来的电子显微镜(SEM、TEM)，样品必须进行固化、切片、脱水、镀金等步骤，而无法得到生理含水环境下真实生物活性样品的型态，相对于以上的量测方法，原子力显微镜则提供了一个较好的方式。以原子力显微镜而言，有极佳的横向分辨率，同时它可以提供在液相中进行生物活性样品进行扫描分析，如图1-9所示。因此原子力显微镜液相测量生物分子活性微结构，同时又可减少对生物样品的破坏。近年来在生理条件下生物样本的量测几乎都以AFM为主要工具，此一机制在进入液体中量测并不会改变生物基本特性，所以对于生物样本而言是一个最直接且适应性高的方法。
图1-9AFM在液相中进行DNA扫描
1.3.7微影操控术(Nanolithography and Nanomanipulation)
Lithography(微影)及manipulation(操控术)是目前相当热门的研究题目。多年以来Lithography应用力量及电流方式，已可在材料表面刻出或长出不同尺寸纳米图案。目前研究上是针对(1)如何划出100nm级图案，10nm级线宽(2)图案稳定性及操控性等工程议题。此两议题在设备上，目前可以使用封闭式回路控制扫瞄器(Close loop scanner)解决。Lithography的要求均必需达到及时性，表示AFM扫瞄时，欲将某物从a 移动至b时，可在移动后马上扫瞄，期间探针无需重新下探针动作，及时性就非常重要。目前挑战的题目如纳米级定位修补，表面重组，生化上强制接种加速实验。1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母如图1-10。科学家在试验中发现STM的探
针不仅能得到原子图象，而且可以将原子在一个位置吸住，再搬运到另一个地方放下。这可真是个了不起的发现，因为这意味着人类从此可以对原子进行操纵。
图1-10最小的IBM广告
2原子力显微镜在材料科学研究中的应用
AFM是利用样品表面与探针之间力的相互作用这一物理现象，因此不受STM等要求样品表面能够导电的限制，可对导体进行探测，对于不具有导电性的组织、生物材料和有机材料等绝缘体，AFM同样可得到高分辨率的表面形貌图像，从而使它更具有适应性，更具有广阔的应用空间。AFM可以在真空、超高真空、气体、溶液、电化学环境、常温和低温等环境下工作，可供研究时选择适当的环境，其基底可以是云母、硅、高取向热解石墨、玻璃等。AFM已被广泛地应用于表面分析的各个领域，通过对表面形貌的分析、归纳、总结，以获得更深层次的信息。
2.1在材料科学方面中的应用
2.1.1三维形貌观测
通过检测探针与样品间的作用力可表征样品表面的三维形貌，这是AFM最基本的功能。AFM在水平方向具有0.1-0.2nm的高分辨率，在垂直方向的分辨率约为0.01nm。尽管AFM和扫描电子显微镜（SEM）的横向分辨率是相似的，但AFM和SEM两种技术的最基本的区别在于处理试样深度变化时有不同的表征。由于表面的高低起伏状态能够准确地以数值的形式获取，AFM对表面整体图像进行分析可得到样品表面的粗糙度、颗粒度、平均梯度、孔结构和孔径分布等参数，也可对样品的形貌进行丰富的三维模拟显示，使图像更适合于人的直观视觉。图2-1就是接触式下得到的二氧化硅增透薄膜原子力图像，同时还可以逼真的看到其表面的三维形貌。
图2-1二氧化硅增透薄膜原子力图
在半导体加工过程中通常需要测量高纵比结构，像沟槽和孔洞，以确定刻蚀的深度和宽度。这些在SEM下只有将样品沿截面切开才能测量。AFM可以无损的进行测量后即返回生产线。图2-2为光栅的AFM图像，扫描范围为4×4μm。根据图2-2的结果,通过profile功能就可以定量测量刻槽的深度及宽度。
图2-2光栅的AFM图
2.1.2纳米材料与粉体材料的分析
在材料科学中，无论无机材料或有机材料，在研究中都有要研究文献，材料是晶态还是非晶态。分子或原子的存在状态中间化物及各种相的变化，以便找出结构与性质之间的规律。在这些研究中AFM可以使研究者，从分子或原子水平直接观察晶体或非晶体的形貌、缺陷、空位能、聚集能及各种力的相互作用。这些对掌握结构与性能之间的关系有非常重要的作用。当今纳米材料是材料领域关注的课题，而AFM对纳米材料微观的研究中，也是分析测视工具。纳米材料科学的发展和纳米制备技术的进步，将需要更新的测试技术和表征手段，以评价纳米粒子的粒径、形貌、分散和团聚状况。原子力显微镜的横向分辨率为0.1～0.2nm，纵向为0.01nm，能够有效的表征纳米材料。纳米科学和技术是在纳米尺度上（0.1～100nm）研究物质（包括原子、分子）的特性和相互作用，并且利用这些特性的一个新兴科学。其最终目标是直接以物质在纳米尺度上表现出来的特性，制造具有特定功能的产品，实现生产力方式的飞跃。纳米科学包括纳米电子学、纳米机械学、纳米材料学、纳米生物学、纳米光学、纳米化学等多个研究领域。
纳米科学的不断成长和发展是与以扫描探针显微术（SPM）为代表的多种纳米尺度的研究手段的产生和发展密不可分的。可以说，SPM的相继问世对纳米科技的诞生与发展起了根本性的推动作用，而纳米科技的发展又为SPM的应用提供了广阔的天地。SPM 是一个包括扫描隧道显微术（STM）、原子力显微术（AFM）等在内的多种显微技术的大家族。SPM不仅能够以纳米级甚至是原子级空间分辨率在真空、大气或液体中来观测物质表面原子或分子的几何分布和态密度分布，确定物体局域光、电、磁、热和机械特性，而且具有广泛的应用性，如刻划纳米级微细线条、甚至实现原子和分子的操纵。这一集观察、分析及操作原子分子等功能于一体的技术已成为纳米科学研究中的主要工具。
在粉体材料的研究中，粉体材料大量的存在于自然界和工业生产中，但目前对粉体材料的检测方法比较少，制样也比较困难。AFM提供了一种新的检测手段。它的制样简单，容易操作。以微波加热法合成的低水合硼酸锌粉体为例。我们可以将其在酒精溶液中用超声波进行分散，然后置于新鲜的云母片上进行测试。其原子力显微图如图2-3所示。粒径约为20nm左右。
图2-3硼酸锌的AFM图
2.1.3成分分析
在电子显微镜中，用于成分分析的信号是X－射线和背散射电子。X－射线是通过SEM系统中的能谱仪（EDS）和波谱仪（WDS）来提供元素分析的。在SEM中利用背散射电子所呈的背散射像又称为成分像。而在AFM中不能进行元素分析，但它在Phase Image模式下可以根据材料的某些物理性能的不同来提供成分的信息。图2-4是利用tapping模式下得到的原子力显微镜相位图像，它可以研究橡胶中填充SiO2颗粒的微分布,并可以对SiO2颗粒的微分布进行了统计分析。
图2-4橡胶中的参杂情况（相位图）
2.1.4晶体生长方面的应用
晶体生长理论在发展过程中形成了很多模型，可是这些模型大多是理论分析的间接研究，它们和实际情况究竟有无出入，这是人们最为关心的。因而人们希望用显微手段直接观察到晶面生长的过程。用光学显微镜、相衬干涉显微镜、激光全息干涉术等对晶体晶面的生长进行直接观测，也取得了一些成果。但是，由于这些显微技术分辨率太低，或者是对实验条件要求过高，出现了很多限制因素，不容易对生长界面进行分子原子级别的直接观测。原子力显微镜则为我们提供了一个原子级观测研究晶体生长界面过程的全新有效工具。利用它的高分辨率和可以在溶液和大气环境下工作的能力，为我们精确地实时观察生长界面的原子级分辨图像、了解界面生长过程和机理创造了难得的机遇。
近几年，国外学者已经开始利用原子力显微镜进行晶体生长机理的研究，特别是研究生长界面的动态过程，这些研究已经对传统的晶体生长理论和模型带来了冲击和挑战，在此基础上，晶体生长理论可望有新的突破。这方面的工作不仅有利于晶体生长理论本身的发展，而且有利于指导晶体生产实践，具有重要的理论和实际意义。应用原子力显微镜研究和修正晶体生长机理已取得以下一些比较典型的进展。
美国科学家展示了一种新技术，就是利用原子力显微镜（AFM）触发晶体生长的初结并实时地控制和观察晶体生长过程。美国西北大学的Chad Mirkin与同事用涂有多聚物的AFM探针在石英基片上完成了对一种多聚物晶体的生长、观察和控制。Mirkin 小组先在室温下用AFM探针将一滴多聚DL赖氨酸（PLH）滴在石英基片上。接着，他们用探针扫描这个基片，扫描区域为8×8微米。在不断地扫描过程中，他们先是发现了两块三角形的结晶，其中一块边长只有320纳米。他们看到这两颗“种子”不断地
生长，同时其它的晶体也在不断出现。他们还发现如果在AFM探针上涂上一层PLH就可以对晶体的生长进行控制。在控制实验中，PLH是直接滴在石英基片上的，他们造出了各种大小的随意结构和三角形晶体。当温度提升至35°C时，他们发现晶体由三棱柱结构变成了立方体结构。如图2-5。
这一对晶体的研究技术较之传统X射线衍射法，最小研究对象要小5个数量级。这一进展的意是：以前由于晶体体积太小而无法用传统方法研究的晶体初期生长过程首次展示在人们面前。
图2-5晶体的生长
2.1.5在薄膜技术中的应用
随着膜技术的蓬勃发展，人们力图通过控制膜的表面形态结构，改进制膜的方法，进而提高膜的性能。在过去的多年的研究中，关于膜的制备、形态与性能之间的关系已经做了多方面的尝试和研究，而且这些尝试和研究对于膜的形成与透过机理都十分有价值，然而由于过程相当复杂，对其中的理解仍然是不够充分的。1988年，当AFM发明以后，Albrecht等人首次将其应用于聚合物膜表面形态的观测之中，为膜表面形态的研究开启了一扇新的大门。
AFM在膜技术中的应用相当广泛，它可以在大气环境下和水溶液环境中研究膜的表面形态，精确测定其孔径及孔径分布，还可在电解质溶液中测定膜表面的电荷性质，定量测定膜表面与胶体颗粒之间的相互作用力。无论在对哪个参数的测定中，AFM都显示了其他方法所没有的优点，因此，其应用范围迅速增长，已经迅速变成膜科学技术中发展和研究的基本手段。
用于膜表面形态和结构特征研究的手段方法和很多，如扫描电子显微镜、压汞法、
泡点法、气体吸附-脱附法、热孔法以及溶质透过特性等等。其中只有扫描电子显微镜能够提供直接而又详细的资料，如孔形状和孔径分布。它在一段时期曾是微电子学的标准研究工具，它可以分辨出小至几个毫微米的细节。但是这种显微镜要求试样表面涂覆金属并在真空中成像，三维分辨能力差，发射的高能电子可能会损坏试样表面而造成测量偏差。AFM通过探针在试样表面来回扫描，生成可达到原子分辨率水平的图象，并不苛刻的操作条件（它可以在大气和液体环境中操作），以及试样不需进行任何预处理的特点，其在膜技术中的应用引起了广泛的兴趣。
AFM在膜技术中的应用与研究主要包括以下几个方面：
1)膜表面结构的观察与测定，包括孔结构、孔尺寸、孔径分布；
2)膜表面形态的观察，确定其表面粗糙度；
3)膜表面污染时的变化，以及污染颗粒与膜表面之间的相互作用力，确定其污染程度；
4)膜制备过程中相分离机理与不同形态膜表面的之间的关系。
膜表面结构的观察与测定
当一幅清晰的AFM图象得到后，在图象上选定一条线作线分析（line analysis），可做孔径和孔径分布的研究。在使用AFM观测膜的表面时，科研工作者不忘将其测定结果与其它方法得到的结果进行了比较。研究发现，AFM的接触模式与非接触模式的测定结果相似，而SEM和TEM的测定值都偏小。造成这种偏差的原因是由测定方法所决定的。SEM要求在样品表面覆盖一层导电层，而TEM要求制备样品的复制品。这些对试样的预先处理都会带来测量上的偏差。这已经得到了证实。同时，膜也有可能被电子光束所破坏。在膜表面结构和形态的观察中研究人员还发现，膜的操作环境同样会对测量结果产生影响。我们知道，AFM可以在大气环境和液体环境中对膜表面进行成像扫描。Bowen在研究微孔膜时发现，随着NaCl溶液浓度的变小，得到的表面图象和孔径测定结果都相对较差。因此，AFM不是说按一个简单的按钮就可以完成所有的工作，它需要在测试时调整各种参数以求达到最好的结果。尽管如此，它仍然不失为膜表面观察的首选技术。
膜的表面粗糙度
通常认为，由高分子材料制备得到的合成膜表面应当是光滑的，因此认为在膜的制备过程中产生表面带有花纹的膜是所不希望得到的。但是，随着膜科学技术的发展和对膜现象的深入了解，人们越来越意识到为什么表面看似有花纹的膜在其透过通量上却比平整的膜表面有更大的优势。AFM利用其先进的扫描技术和分析方法可以对膜的表面图象进行分析，得到其粗糙度参数。可以用AFM观察反渗透膜时找到膜的透过通量与粗糙度之间的关系：随膜表面粗糙度增高，膜的水通量增大，这是因为膜的有效面积增
大的缘故。换言之，表面粗糙度大的膜表面可以获得更大的比表面积以及更大的透过通量。用AFM研究膜表面时还发现，膜表面的粗糙区可分为非晶形区和晶形区，而且膜表面的不规整性还会影响膜的物理化学性质。
透气通量与膜表面粗糙度的变化关系
反渗透膜和超滤膜在水处理中的一个主要问题是膜污染。在对膜的粗糙度进行研究时发现，膜表面的粗糙度与膜污染之间存在一定的关系。Elimelech等研究了被胶体污染了的醋酸纤维素反渗透膜和芳香聚酰胺反渗透复合膜，发现芳香聚酰胺复合膜的受污染程度高，这主要归因于复合膜表面的粗糙度高。而且膜表面图象也显示了相对于醋酸纤维素反渗透膜较为平整的膜表面，芳香聚酰胺复合膜存在大量的“山峰”结构。Bowen 对纳滤膜的研究也得到了相似的结果。
由上可见，AFM对膜表面的粗糙度的分析，对膜的性能与表面形态之间的关系研究提供了极大的方便。
膜表面污染程度研究
在研究膜的污染状况前，先看看AFM在其中的作用。AFM可以通过测量悬臂的弯曲程度来测量膜表面与探针针尖之间的相互作用力。假设将针尖的硅/二氧化硅取而代之，换以一球形颗粒附着在悬臂上，测量其与膜表面之间的作用力，便可知其在膜上的粘附程度，从而预见膜表面的污染状况，这种技术称为“胶粒探针”技术。随着技术的提高，颗粒的直径可以从0.75μm做到15μm。利用“胶粒探针”技术定量分析膜表面与各种材料之间的相互作用力使得快速评估不同颗粒在膜表面的污染状况成为可能，简化了膜的研制过程，并在膜材料的选择方面提供理论指导依据，从而推动低污染或无污染膜的快速发展。
成膜机理研究
高分子膜结构与相分离机理紧密相关，尤其是非晶形聚合物，相分离过程对膜的表面形态和结构影响极大。AFM对膜表面形态与结构的成像与分析，对于膜制备过程中的成膜机理研究也带来了极大的帮助。
AFM在膜技术方面显示了强大的应用能力。无论在空气中或是液体环境中，AFM 无需对膜进行任何可能破坏表面结构的预处理，就能生成高清晰度的膜表面图象。通过对膜表面形态、结构以及与颗粒间的相互作用力进行测定，使人们掌握膜的结构、形态与膜性能之间的关系，了解膜的抗污染程度，以及对成膜机理进行更深入的研究，推动膜科学技术的迅猛发展。
原子力显微镜的原理及使用 通过近代物理实验课的学习，了解了许多仪器的工作原理以及使用方法，对今后的科研学习有很大的 帮助。其中原子力显微镜就是其中之一，对于做材料方面的专业来说，原子力显微镜在表征物质的表面结 构及性质起着重要的作用。前段时间我们利用AFM对用RF磁控溅射制备的PZT薄膜进行了表征，通过对AFM的使用并查找相关文献，使我对原子力显微镜有了更加深刻的认识。 原子力显微镜，英文：Atomic Force Microscope ，简写： AFM。是一种利用原子,分子间的相互作用力来观察物体表面微观 形貌的新型实验技术.它有一根纳米级的探针,被固定在可灵敏操 控的微米级弹性悬臂上.当探针很靠近样品时,其顶端的原子与样 品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲,偏离原来的位置.根据扫描 样品时探针的偏离量或振动频率重建三维图像.就能间接获得样品 表面的形貌或原子成分。 它主要由带针尖的微悬臂、微悬臂运动检测装置、监控其运 动的反馈回路、使样品进行扫描的压电陶瓷扫描器件、计算机控 制的图像采集、显示及处理系统组成。微悬臂运动可用如隧道电 流检测等电学方法或光束偏转法、干涉法等光学方法检测，当针 尖与样品充分接近相互之间存在短程相互斥力时，检测该斥力可获得表面原子级分辨图像，一般情况下分 辨率也在纳米级水平。AFM测量对样品无特殊要求，可测量固体表面、吸附体系等。 一、仪器结构： 在原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置 检测部分、反馈系统。 1、力检测部分 在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是 使用微小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变化量。微悬臂通常由一个一般100~500μm长和大约500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品－针尖间的相互作用力。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品 的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。 2、位置检测部分 在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂cantilever摆动，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，这就造成偏移量 的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供SPM控制器作 信号处理。 3、反馈系统 在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作 反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针 尖保持一定的作用力。 AFM系统使用压电陶瓷管制作的扫描器精确控制微小的扫描移动。压电陶瓷是一种性能奇特的材料， 当在压电陶瓷对称的两个端面加上电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。而伸长或缩短的尺寸与 所加的电压的大小成线性关系。也就是说，可以通过改变电压来控制压电陶瓷的微小伸缩。通常把三个分 别代表X，Y，Z方向的压电陶瓷块组成三角架的形状，通过控制X，Y方向伸缩达到驱动探针在样品表面 扫描的目的；通过控制Z方向压电陶瓷的伸缩达到控制探针与样品之间距离的目的。 原子力显微镜（AFM）便是结合以上三个部分来将样品的表面特性呈现出来的：在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微小悬臂（cantilever）来感测针尖与样品之间的相互作用，这作用力会使微悬臂摆动， 再利用激光将光照射在悬臂的末端，当摆动形成时，会使反射光的位置改变而造成偏移量，此时激光检测 器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性 以影像的方式给呈现出来。 二、工作原理： 将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于 针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬 臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法
6-5 原子力显微镜 【实验简介】 扫描隧道显微镜工作时要检测针尖和样品之间隧道电流的变化，因此它只能用于导体和半导体的研究。而在研究非导电材料时必须在其表面覆盖一层导电膜。导电膜的存在往往掩盖了样品表面结构的细节。为了弥补扫描隧道显微镜的这一不足，1986年宾尼希等发明了第一台原子力显微镜AFM（atomic force microscopy）。原子力显微镜不仅可以在原子水平测量各种表面形貌，而且可用于表面弹性、塑性、硬度、摩擦力等性质的研究。 【实验目的】 1.学习和了解原子力显微镜的结构和原理； 2.学习扫描隧道显微镜的操作和调试过程，并以之来观察样品的表面形貌； 【实验原理】 1.原子力显微镜 与STM不同，原子力显微镜测量的是针尖与样品表面之间的力。将微小针尖放在悬臂的一端，当针尖与样品间距小到一定程度时，由于针尖与样品的相互作用（引力、斥力等），使悬臂发生弯曲形变。如图使样品与针尖之间作扫描运动，测量悬臂的形变位移，即可得到 图6-5-1 原子力显微镜示意图 样品表面的形貌信息。 由于微悬臂的位移很小，对它的测量是一个关键技术。最早发明者宾尼希等人利用隧道电流对间距的敏感性来测量悬臂的位移，但由于隧道效应对悬臂的功函数（由于污染等原因）变化同样敏感，所以稳定性较差。现在大多数均采用光学方法或电容检测法。本实验采用光
图6-5-2 原子力显微镜光路图 束偏转检测方法，如图2所示。激光束经微悬臂背面反射、再经平面反射镜至四相限接受器，当微悬臂弯曲时激光束在接受器上的位置将发生移动，由四象限接受器检测出悬臂弯曲位移，便可得到样品的表面形貌。 2.轻敲模式成象技术 常规的接触模式扫描由于针尖对样品的作用力较大，会在软样品表面形成划痕，或使样品变形，对粉体颗粒样品，会使样品移动，或将样品碎片吸附在针尖上，分辨率较差，而理想的非接触模式由于工作程短，又是难于有效实施的。 轻敲扫描模式的特点是在扫描过程中由压电驱动器将微悬臂激发到共振振荡状态，针尖随着悬臂的振荡，极其短暂地与样品表面进行接触，同时由于针尖与样品的接触时间非常短，因此剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失，可以清晰观测完好的表面结构而不受表面高度起伏的影响。AFM轻敲扫描模式，特别适用于检测生物样品及其它柔软、易碎、粘附性较强的样品。并对针尖损耗相对最少。 【实验装置】(见扫描隧道显微镜) 【实验内容及步骤】 1．扫描光栅样品 注意：所有插件栏的操作都应当是鼠标单击 1.1 放针尖。把针尖架插入探头； 1.2 放样品（用镊子操作，注意不要让镊子碰到样品表面）。 1.3打开电脑。开启控制箱电源。打开软件，切换到在线工作模式(此时仪器会自动识别当前针尖类型，软硬件自动切换到相应工作模式，头部液晶屏也会立即显示出当前工作模
原子力显微镜操作简要说明 一、设备开机 1、打开原子力显微镜主机电源（在光学平台下方）。 2、开启电脑、运行软件（软件10，如有问题可换9重新运行）。 3、在软件界面点击 SPM init 进行设备初始化，如显示SPM OK可继续操作，如不显示SPM OK重启软件。 4、点open door开操作门，点灯泡按钮照亮。 二、样品准备 1、将表面洁净样品使用专用双面胶粘贴至设备配备的圆形载物片上（最好两个台子一起使用，以便旋转样品）。 2、通过检测组件上的按钮或者软件点open door开启样品室舱门，点灯泡按钮照亮，点击软件界面上的AFM-STM退针钮使显微镜探头缩回。 3、使用专用镊子将样品连同载物片放入磁性样品台上，小心调整样品区域之中间。小心不要碰触探头、激光源等。 4、点击软件界面的AFM-STM使探头移回。关闭舱门。 三、操作程序 1、运行软件的camera功能，点击绿色的play键。运行approach，点击蓝色step move，将样品降低到安全距离。 2、运行软件的aiming功能，点击tools-motors-video calibration-右下角specify laser step 1-Alt+左键-确定-手动Alt+左键点击红十字中心，使激光与十字匹配。 3、运行AFM钮，使针头伸出。点击Shift+左键点击针悬臂梁的中间或偏上三分之一处，点击move laser使激光移动到点击位置，然后用Laser X和Y将Laser 调到最大，点击Aiming，使DFL、LF为0。 4、运行软件的Resonance功能，选择semicontact模式，在probes里选择对应针尖，点击Auto，调节探针悬臂的共振频率。如产生共振，调节Gain和lockgain 的大小（保证其乘积大小不变），确定setpoint为典型值Mag的一半，Gain0.5-1之间。 5、运行landing，观察way值变化。 6、运行软件的Approach功能，自动完成下针。使探针下降至检测距离。 7、点击Scanning按钮，开始样品扫描，扫描图样将自动保存至指定文件夹。注意: 1、除去扫描过程，其他改变任何程序或移动样品的操作都应先关闭反馈键使ON 变为OFF。操作过程中确保XY是闭环状态？ 2、取放样品时均应首先软件操作使探头缩回。 3、扫描结果的优劣决定于当前探针状态（是否断针和污染）和所选用的反馈灵 敏度Gain。在确保不损伤仪器以及珍贵探针的情况下进行优化调节。
1.引言 随着人类科研的不断发展, 纳米尺度上物质的结构、相互作用以及一些特殊的现象等越来越受到关注, 所以各种研究方法和仪器手段也应运而生。原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）利用其微悬臂上尖细探针与样品的原子之间的作用力，从而达到检测的目的。其具有原子级的分辨率[1]。由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不能观察非导体的不足。 图1 原子力显微镜 原子力显微镜的原理及其在材料科学上的应用 摘要 本文介绍了原子力显微镜的发展过程、探测原理等方面，从原子力显微镜对于材料表面形貌分析，粉体材料分析，纳米材料分析等方面，综述了原子力显微镜技术在材料科学学方面的应用，并展望原子力显微镜在未来的发展 关键词 原子力显微镜工作模式特点表面形貌 Abstract Thisarticle provide information of AFM(Atomic Force Microscope),about the development,the principle,from AFM on analyzing surface of material ,dusty material and nanometer size material. And look into the future of AFM Key word AFM working model characteristic surface
2.仪器工作原理 AFM通常由氮化硼作为一个灵敏的弹性微悬臂，在其尖端有一个用来在样品表面上扫描的很尖细的探针。假设有两个原子，一个是在微悬臂的探针尖端，另一个是在样品的表面，它们之间的作用力会随着距离的变化而变化。当原子和原子很接近时，彼此的电子云排斥力作用会大于原子核与电子云之间的吸引作用，其合力表现为排斥作用。反之，若两原子分开到一定距离时，其电子云的排斥作用小于彼此原子核与电子云之间的吸引力作用，故其合力表现为吸引作用。原子力显微镜就是利用微小探针与待测原子之间的这种交互作用力的微妙变化，来显现表面原子的形貌。[2] 在原子力显微镜中，根据利用原子间的排斥力或吸引力方式的不同，发展出了两种工作模式： （1）利用原子之间的排斥力的变化而产生样品表面轮廓，从而发展了接触式原子力显微镜（Contact AFM），其探针与样品表面的距离约为零点几个纳米。 （ 2 ）利用原子之间的吸引力的变化而产生 样品表面轮廓，从而发展了非接触式原子 力显微镜（Non-Contact AFM）其探针与样 品表面的距离约为几到几十纳米。 图2 原子与原子之间的交互作用 在原子力显微镜系统中，使用一个灵活的 微悬臂来感应针尖与样品之间的交互作用 力，该作用力随样品表面形态而变化，它 会使微悬臂随之摆动。将一束激光照射在 微悬臂的末端，当微悬臂摆动时，会使反 射激光的位置改变而造成偏移量，用激光 检测器记录此偏移量，同时将此信号传递 给反馈系统，以利于系统做适当的调整， 从而将样品表面特征以影像的方式显现出 来[3]。（如图 3） 。 图3 原子力显微镜的探测原理示意图 3.原子力显微镜的结构 3.1力检测系统 原子力显微镜使用微小悬臂来检测原 子之间力的变化量。微悬臂通常由一个 100到500μm长和大约500nm到5μm厚 的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一 个尖锐针尖，用来检测样品－针尖间的相 互作用力。 图4 原子力显微镜微悬臂 3.2位置检测系统
2015年秋季学期研究生课程考核 （读书报告、研究报告） 考核科目:原子力显微镜的工作原理及基本操作学生所在院（系）: 学生所在学科: 学生姓名: 学号: 学生类别:应用型 考核结果阅卷人
原子力显微镜的工作原理及基本操作 一、实验目的 1.了解原子力显微镜的工作原理 2.掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法 二、原子力显微镜结构及工作原理 2.1 AFM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 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． 图1 针尖/样品距离曲线 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。
图2 光束偏转法的原理图 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。 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(ContactMode)、非接触模式(Non－contact Mode)和轻敲模式( Tapping Mode)，如图3． 图3 三种工作模式 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。 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。 4.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)。
原子力显微镜 一、实验目的 1了解原子力显微镜的工作原理 2掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法 二、实验原理 1. AFM基本原理 原子力显微镜的工作原理就是将探针装在一弹性微悬臂的一端，微悬臂的另一端固定，当探针在样品表面扫描时，探针与样品表面原子间的排斥力会使得微悬臂轻微变形，这样，微悬臂的轻微变形就可以作为探针和样品间排斥力的直接量度。一束激光经微悬臂的背面反射到光电检测器，可以精确测量微悬臂的微小变形，这样就实现了通过检测样品与探针之间的原子排斥力来反映样品表面形貌和其他表面结构。 在原子力显微镜的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。如图一显示。 1）力检测部分 在原子力显微镜系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。使用微悬臂来检测原子之间力的变化量。如图2所示，微悬臂通常由一个一般100～500μm长和大约500nm～5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品－针尖间的相互作用力。 （2）位置检测部分 在原子力显微镜系统中，当针尖与样品之间有了作用之后，会使得悬臂摆动，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供SPM控制器作信号处理。聚焦到微悬臂上面的激光反射到激光位置检测器，通过对落在检测器四个象限的光强进行计算，可以得到由于表面形貌引起的微悬臂形变量大小，从而得到样品表面的不同信息。 （3）反馈系统 在原子力显微镜系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。 2.AFM 有三种不同的工作模式: 接触模式( contact mode) 、非接触模式(noncontact mode) 和共振模式或轻敲模式(Tapping Mode) 。（1）接触模式： 从概念上来理解，接触模式是AFM最直接的成像模式。AFM 在整个扫描成像过程之中，探针针尖始终与样品表面保持亲密的接触，而相互
原子力显微镜 一．实验目的 1. 了解原子力显微镜的工作原理 2. 掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法 二．实验原理 在原子力显微镜的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统： （1）力检测部分 在原子力显微镜系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。使用微悬臂来检测原子之间力的变化量。如图2所示，微悬臂通常由一个一般100～500μm长和大约500nm～5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品－针尖间的相互作用力。 （2）位置检测部分 在原子力显微镜系统中，当针尖与样品之间有了作用之后，会使得悬臂摆动，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供SPM控制器作信号处理。聚焦到微悬臂上面的激光反射到激光位置检测器，通过对落在检测器四个象限的光强进行计算，可以得到由于表面形貌引起的微悬臂形变量大小，从而得到样品表面的不同信息。 （3）反馈系统 在原子力显微镜系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。 原子力显微镜便是结合以上三个部分来将样品的表面特性呈现出来的：在原子力显微镜系统中，使用微小悬臂来感测针尖与样品之间的相互作用，这作用力会使微悬臂摆动，再利用激光将光照射在悬臂的末端，当摆动形成时，会使反射光的位置改变而造成偏移量，此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的方式给呈现出来。
中国体视学与图像分析 2006年 第11卷 第1期CH I N ESE JOURNAL O F S TER EOLO GY AND I M AGE ANALYS I S Vo l .11No.1M a rch 2006 53 收稿日期:2005-08-01 基金项目:国家自然科学基金资助(No .30470900);汕头大学研究与发展基金资助(No .L00015)作者简介:陈耀文(1964-),男,副教授,研究方向:医学图像处理与识别,E 2mail:y wchen@stu .edu .cn 文章编号:1007-1482(2006)01-0053-06 ?综述? 扫描电子显微镜与原子力显微镜技术之比较 陈耀文1 , 林月娟1 , 张海丹1 , 沈智威1 , 沈忠英 2 (1.汕头大学中心实验室, 广东 汕头 515063; 2.汕头大学医学院, 广东 汕头 515031) 摘 要:SE M 和AF M 技术是最常用的表面分析方法。本文介绍了SE M 和AF M 两种技术的原理, 描述了这两种技术在样品形貌结构、成分分析和实验环境等方面的性能,比较了两种技术的特性和不足,充分利用两种技术的互补性,将两种技术结合使用,有助于更加深刻地认识样品的特性。关键词:原子力显微镜;扫描电子显微镜;表面形貌;化学成分中图分类号:TG115.21+ 5.3,R319 文献标识码:A The co m par ison of SE M and AF M techn i ques CHEN Yaowen 1 , L I N Yuejuan 1 , ZHANG Haidan 1 , SHEN Zhewei 1 , SHEN Zhongying 2 (1.Central Laborat ory,Shant ou University,Guangdong Shant ou 515063,China;2.Medical College,Shant ou University,Guangdong Shant ou 515031,China ) Abstract:Scanning electr on m icr oscopy (SE M )and at om ic f orce m icr oscopy (AF M )are powerful t ools f or surface investigati ons .This article described the p rinci p les of these t w o techniques,compared and contrasted these t w o techniques with res pect t o the surface structure and compositi on of materials,and en 2vir on ment .SE M and AF M are comp le mentary techniques,by having both techniques in an analytical fa 2cility,surface investigati ons will be p r ovided a more comp lete rep resentati on . Key words:at om ic f orce m icr oscopy;scanning electr on m icr oscopy;surface structure;compositi on 显微镜由于受到衍射极限的限制,其分辨率只能达到光波半波长数量级(0.3μm ),无法观察更小的物体。1924年,德布罗意提出了微观粒子具有波粒二象性的概念,科学家们在物质领域找到了一种波长更短的媒质—电子,并利用电子在磁场中的运动与光线在介质中的传播相似的原理,研制出以电子为光源的各类电子显微镜。扫描电子显微镜(Scanning Electr on M icr oscopy,SE M )的设计思想,早在1935年便已被提出来了,1942年,英国首先制成实验室用的扫描电镜,主要应用于大样品的形貌分析,但由于成像的分辨率很差,照相时间太长,所以实用价值不大。随着电子工业技术水平的不断发展,到1965年开始生产商品扫描电镜,近数十年来,SE M 各项性能不断提高,如分辨率由初期的50nm 发展到现在约0.5nm ,功能除样品的形貌分析之外,现在可获得特征X 2射线,背散射电子和样品电流等 信息。 1982年,Gerd B innig 和Heinrich Rohrer 在I B M 公司苏黎世实验室共同研制成功了第一台扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling M icr oscope,ST M ),使人们首次能够真正实时地观察到单个原子在物体表面的排列方式和与表面电子行为有关的物理、化学性质。然而,由于ST M 的信号是由针尖与样品之间的隧道电流的变化决定的,只适用于研究电子性导体和半导体样品,为了克服ST M 的不足之处,ST M 的发明者B innig 等又在1986年发明了原子力显微镜(A t om ic Force M icr oscope,AF M )。AF M 是通过探测探针与被测样品之间微弱的相互作用力(原子力)来获得物质表面形貌的信息,分辨率可达原子级水平。之后,以ST M 和AF M 为基础,衍生出扫描探针显微镜(Scanning Pr obe M icr oscope,SP M )家族,包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜、磁力显微镜、静电
原子力显微镜及其应用 原子力显微镜是以扫描隧道显微镜基本原理发展起来的扫描探针显微镜。原子力显微镜的出现无疑为纳米科技的发展起到了推动作用。以原子力显微镜为代表的扫描探针显微镜是利用一种小探针在样品表面上扫描，从而提供高放大倍率观察的一系列显微镜的总称。原子力显微镜扫描能提供各种类型样品的表面状态信息。与常规显微镜比较，原子力显微镜的优点是在大气条件下，以高倍率观察样品表面，可用于几乎所有样品（对表面光洁度有一定要求），而不需要进行其他制样处理，就可以得到样品表面的三维形貌图象。并可对扫描所得的三维形貌图象进行粗糙度计算、厚度、步宽、方框图或颗粒度分析。 原子力显微镜可以检测很多样品，提供表面研究和生产控制或流程发展的数据，这些都是常规扫描型表面粗糙度仪及电子显微镜所不能提供的。 一、基本原理 原子力显微镜是利用检测样品表面与细微的探针尖端之间的相互作用力（原子力）测出表面的形貌。 探针尖端在小的轫性的悬臂上，当探针接触到样品表面时，产生的相互作用，以悬臂偏转形式检测。样品表面与探针之间的距离小于3－4nm，以及在它们之间检测到的作用力，小于10－8N。激光二极管的光线聚焦在悬臂的背面上。当悬臂在力的作用下弯曲时，反射光产生偏转，使用位敏光电检测器偏转角。然后通过计算机对采集到的数据进行处理，从而得到样品表面的三维图象。 完整的悬臂探针，置放于在受压电扫描器控制的样品表面，在三个方向上以精度水平0.1nm或更小的步宽进行扫描。一般，当在样品表面详细扫绘（XY轴）时，悬臂的位移反馈控制的Z轴作用下保存固定不变。以对扫描反应是反馈的Z轴值被输入计算机处理，得出样品表面的观察图象（3D图象）。 二、原子力显微镜的特点 1．高分辨力能力远远超过扫描电子显微镜（SEM），以及光学粗糙度仪。样品表面的三维数据满足了研究、生产、质量检验越来越微观化的要求。 2．非破坏性，探针与样品表面相互作用力为10－8N以下，远比以往触针式粗糙度仪压力小，因此不会损伤样品，也不存在扫描电子显微镜的电子束损伤问题。另外扫描电子显微镜要求对不导电的样品进行镀膜处理，而原子力显微镜则不需要。 3．应用范围广，可用于表面观察、尺寸测定、表面粗糙测定、颗粒度解析、突起与凹坑的统计处理、成膜条件评价、保护层的尺寸台阶测定、层间绝缘膜的平整度评价、VCD涂层评价、定向薄膜的摩擦处理过程的评价、缺陷分析等。 4．软件处理功能强，其三维图象显示其大小、视角、显示色、光泽可以自由设定。并可选用网络、等高线、线条显示。图象处理的宏管理，断面的形状与粗糙度解析，形貌解析等多种功能。 三、应用实例 1．应用于纸张质量检验。2．应用于陶瓷膜表面形貌分析。3．评定材料纳米尺度表面形貌特征 1
原子力显微技术观测薄膜形貌 姓名：吴涵颖学号：5404312065 班级：工业工程122 一、实验目的： Ⅰ、学习和了解AFM的结构和原理。 Ⅱ、掌握AFM的操作和调试过程，并以之来观察薄膜表面的形貌。 Ⅲ、学习用计算机软件来处理原始数据图像。 二、实验原理简析： 1. AFM基本原理 原子力显微镜的工作原理就是将探针装在一弹性微悬臂的一端，微悬臂的另一端固定，当探针在样品表面扫描时，探针与样品表面原子间的排斥力会使得微悬臂轻微变形，这样，微悬臂的轻微变形就可以作为探针和样品间排斥力的直接量度。一束激光经微悬臂的背面反射到光电检测器，可以精确测量微悬臂的微小变形，这样就实现了通过检测样品与探针之间的原子排斥力来反映样品表面形貌和其他表面结构。 在原子力显微镜的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。如图一显示。 （1）力检测部分在原子力显微镜系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。使用微悬臂来检测原子之间力的变化量。如图2所示，微悬臂通常由一个一般100～500μm长和大约500nm～5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品－针尖间的相互作用力。 （2）位置检测部分在原子力显微镜系统中，当针尖与样品之间有了作用之后，会使得悬臂摆动，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供SPM控制器作信号处理。聚焦到微悬臂上面的激光反射到激光位置检测器，通过对落在检测器四个象限的光强
进行计算，可以得到由于表面形貌引起的微悬臂形变量大小，从而得到样品表面的不同信息。 （3）反馈系统在原子力显微镜系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。 2.AFM 有三种不同的工作模式: 接触模式( contact mode) 、非接触模式(noncontact mode) 和共振模式或轻敲模式(Tapping Mode) 。 （1）接触模式： 从概念上来理解，接触模式是AFM最直接的成像模式。AFM 在整个扫描成像过程之中，探针针尖始终与样品表面保持亲密的接触，而相互作用力是排斥力。扫描时，悬臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构，因此力的大小范围在10 - 10～10 - 6 N。若样品表面柔嫩而不能承受这样的力，便不宜选用接触模式对样品表面进行成像。 （2）非接触模式 非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方5～10 nm 的距离处振荡。这时，样品与针尖之间的相互作用由范德华力控制，通常为10 - 12 N ，样品不会被破坏，而且针尖也不会被污染，特别适合于研究柔嫩物体的表面。这种操作模式的不利之处在于要在室温大气环境下实现这种模式十分困难。因为样品表面不可避免地会积聚薄薄的一层水，它会在样品与针尖之间搭起一小小的毛细桥，将针尖与表面吸在一起，从而增加尖端对表面的压力。 （3）敲击模式 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。 实验扫描的是光栅，纳米铜微粒以及纳米微粒，选用的是轻敲式。 敲击模式优点：敲击模式在一定程度上减小样品对针尖的粘滞现象，因为针尖与样品表面接触时，利用其振幅来克服针尖"样品间的粘附力。并且由于敲击模式作用力是垂直的，表面材料受横向摩擦力和剪切力的影响都比较小，减小扫描过程中针尖对样品的损坏。所以对于较软以及粘性较大的样品，应选用敲击模式。 三、实验步骤： 一、实验前准备： ①样品制备 1）薄膜样品制备 把之前实验制备得的铜微粒纳米材料分散到溶剂中，比较稀的状态下，然后涂于解离后的云母片上，自然晾干。 2）纳米微粒制备 把纳米微粒材料分散到溶剂中，比较稀的状态下，然后涂于解离后的云母片
高技术 原子力显微镜及其在各个研究领域的应用An Ato mic Force Micro sco p e and I ts A pp lication 刘延辉王弘孙大亮王民姚伟峰杨雪娜 (山东大学晶体材料国家重点实验室济南250100) 在当今的科学技术中,如何观察、测量、分析尺寸小于可见光波长的物体,是一个重要的研究方向。在众多的科学领域里,人们希望实时地看到具体的真实变化过程,而不仅仅是根据前后的现象和关系来推理,这就需要高分辨率的显微镜。适应这种需要,许多用于表面结构分析的现代仪器问世,如透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、场离子显微镜(FIM)、俄歇电子能谱仪(AES)、光电子能谱(ESCA)等,但是大多数技术都无法真正地直接观测物体的微观世界。在这之后,原子力显微镜出现了。 一、原子力显微镜的结构和工作原理 1982年,G erd Binnin g和H einrich R ohrer在I BM 公司苏黎世实验室共同研制成功了第一台扫描隧道显微镜(scannin g tunnelin g m icrosco p e,ST M),这是扫描探针显微镜这一大家族的第一个成员,其发明人Binnin g和R ohrer因此获得1986年的诺贝尔物理奖。扫描隧道显微镜的工作原理是:当探针与样品表面间距小到纳米级时,经典力学认为探针与样品在这时是不导电的,但按照近代量子力学的观点,由于探针尖端的原子和样品表面的原子有波动性,两者的波函数相互叠加,故在它们间会有电流,该电流称隧道电流。ST M就是通过检测隧道电流来反映样品表面形貌和结构的。ST M要求样品表面能够导电,从而使得ST M只能直接观察导体和半导体的表面结构;对于非导电的物质则要求样品覆盖一层导电薄膜,但导电薄膜的粒度和均匀性难以保证,且导电薄膜掩盖了物质表面的细节。 为了克服ST M的不足处,Binnin g、Quate和G er2 ber决定用微悬臂作为力信号的传播媒介,把微悬臂放在样品和ST M的针尖之间,于1986年推出了原子力显微镜(atom ic force m icrosco p e,AFM)。AFM 是通过探针与被测样品之间微弱的相互作用力(原子力)来获得物质表面形貌的信息。因此,AFM除导电样品外,还能够观测非导电样品的表面结构,且不需要用导电薄膜覆盖,其应用领域更为广阔。它得到的是对应于样品表面总电子密度的形貌,可以补充ST M对样品观测得到的信息,且分辨率亦可达原子级水平,其横向分辨率可达2nm,纵向分辨率可达0.01nm。 AFM原理图 AFM的核心部件是力的传感器件,包括微悬臂(C antilever)和固定于其一端的针尖。 根据物理学原理,施加到C antilever末端力的表达式为:F=KΔZ。式中,ΔZ表示针尖相对于试样间的距离,K为C antilever的弹性系数。 力的变化均可以通过C antilever检测。根据力的检测方法,AFM可以分成两类:一类是检测探针的位移;另一类是检测探针的角度变化。由于后者在Z 方向上的位移是通过驱动探针来自动跟踪样品表面形状,因此受到样品的重量及形状大小的限制比前者小。 微悬臂和针尖是决定AFM灵敏度的核心。为了能够准确地反映出样品表面与针尖之间微弱的相互作用力的变化,得到更真实的样品表面形貌,提高AFM的灵敏度,微悬臂的设计通常要求满足下述条件:(1)较低的力学弹性系数,使很小的力就可以产生可观测的位移;(2)较高的力学共振频率;(3)高的横向刚性, 针尖与样品表面的摩擦不会使它发生 9 科技导报3/2003
原子力显微镜(AFM)原理 一、原理 原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由IBM公司的Binnig与史丹佛大学的Quate于一九八五年所发明的，其目的是为了使非导体也可以采用扫描探针显微镜（SPM）进行观测。 图1、原子与原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离 的不同而有所不同，其之间的能量表示也会不同。 原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）最大的差别在于并非利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范德华力（Van Der Waals Force）作用来呈现样品的表面特性。假设两个原子中，一个是在悬臂（cantilever）的探针尖端，另一个是在样本的表面，它们之间的作用力会随距离的改变而变化，其作用力与距离的关系如“图1”所示，当原子与原子很接近时，彼此电子云斥力的作用大于原子核与电子云之间的吸引力作用，所以整个合力表现为斥力的作用，反之若两原子分开有一定距离时，其电子云斥力的作
用小于彼此原子核与电子云之间的吸引力作用，故整个合力表现为引力的作用。若以能量的角度来看，这种原子与原子之间的距离与彼此之间能量的大小也可从Lennard –Jones的公式中到另一种印证。 为原子的直径为原子之间的距离 从公式中知道，当r降低到某一程度时其能量为+E，也代表了在空间中两个原子是相当接近且能量为正值，若假设r增加到某一程度时，其能量就会为-E同时也说明了空间中两个原子之间距离相当远的且能量为负值。不管从空间上去看两个原子之间的距离与其所导致的吸引力和斥力或是从当中能量的关系来看，原子力显微镜就是利用原子之间那奇妙的关系来把原子样子给呈现出来，让微观的世界不再神秘。 在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间交互作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。所以在原子力显微镜中也利用斥力与吸引力的方式发展出两种操作模式： （1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜（contact AFM），探针与试片的距离约数个?。 （2）利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为非接触式原子力显微镜（non-contact AFM），探针与试片的距离约数十到数百?。 二、原子力显微镜的硬件架构： 在原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。
高分子材料研究方法 姓名：管明章 专业：材料学 学号：200804054
原子力显微镜的原理及其在化学里的应用 扫描隧道显微镜(STM)能在多种实验环境下高分辨地实时观察导体和半导体的表面结构，提供了许多其他表面分析技术不能提供的新信息。但是STM只能直接观察导体和半导体的表面结构，对于非导体材料往往采取覆盖导电膜的方法进行间接观察，而导电膜的存在往往掩盖了表面结构的细节，而且即使是导电材料，STM观察到的是对应于表面费米能级处的态密度，当表面存在非单一电子态时，STM得到的是表面形貌和表面电子性质的综合结果。1986年Binnig等发明了第一台AFM[1]弥补了STM的不足。它不仅能给出样品的表面形貌，而且可得到样品表面在垂直方向的绝对高度。 1 原理[1,2] 原子力显微镜是利用检测样品表面与细微的探针尖端之间的相互作用力（原子力）测出表面的形貌。 探针尖端在小的轫性的悬臂上，当探针接触到样品表面时，产生的相互作用，以悬臂偏转形式检测。样品表面与探针之间的距离小于3－4nm，以及在它们之间检测到的作用力，小于10-8N。激光二极管的光线聚焦在悬臂的背面上。当悬臂在力的作用下弯曲时，反射光产生偏转，使用位敏光电检测器偏转角。然后通过计算机对采集到的数据进行处理，从而得到样品表面的三维图象。 完整的悬臂探针，置放于在受压电扫描器控制的样品表面，在三个方向上以精度水平0.1nm或更小的步宽进行扫描。一般，当在样品表面详细扫绘（XY轴）时，悬臂的位移反馈控制的Z轴作用下保存固定不变。以对扫描反应是反馈的Z 轴值被输入计算机处理，得出样品表面的观察图象（3D图象）。 图1 AFM的组成部分示意图 AFM的组成部分示意图见图1。 A:样品；B:AFM探针尖；C:探测器；D:微悬臂；E:调制压电陶瓷；F:氟橡胶；G: 压电晶体管；H: STM反馈；I:基架(铝)。 AFM必须具备以下要素：在弹性常数很小的悬臂上镶有非常尖锐的探针，具有低的弹性常数、高的力学共振频率、高的横向刚性、短的悬臂长度；探测悬臂能上下弯曲；监测和控制悬臂弯曲的反馈系统；机械扫描系统（主要是压电晶体管）是AFM最为关键的部件，是所得扫描信息的准确性与精确性的控制因素，它通过移动使样品相对探针作垂直方向的精密移动，以得到清晰图象；将所测数据转化图象的显示系统。一台具有标准扫描头(25μm)的AFM(如美国Burleigh公
原子力显微镜在细胞生物学领域的应用 材料科学与工程学院 5120519012 蒋沐阳 摘要原子力显微镜是近年来生物领域的重要观测工具，它优良的观测性能和强大清晰的观测分辨率能够满足细胞生物领域不同的观测需求。本文将阐述原子力显微镜在细胞观测中的工作原理，以及待观测细胞需要经过怎样的固定处理。另外本文也将展现原子力显微镜在分析细胞的生命历程以及细胞、分子间的各种相互作用力的性能。 关键字原子力显微镜，细胞生物，成像分辨率，力-距离曲线 前言 几百年来，人类为了观察微小物体创造出了一代又一代显微镜，从最原始的光学显微镜，到以电子显微镜（SEM）为代表的第二代显微镜，再到以扫描隧道显微镜（TEM）为代表的新型显微技术，都显示出了各自代表时代科学家的智慧。而在1986年，作为扫描隧道显微镜的改进产品，原子力显微镜（AFM）的出现，更是突出的显现了显微观测技术作为人类视觉感官功能的延伸与增强的重要性。[1]不同于扫描隧道显微镜只能应用于导电物体表面，原子力显微镜在非导电物质的观测上效果出色，并且具有高分辨、制样简单、操作易行的特点。它在纳米尺度上的成像分辨率极佳，横向达到0.1~0.2nm，纵向则高达 0.01nm，[2]这样的性能使得前几代显微镜望尘莫及，也极大地推动了纳米科学的发展。因为原子力显微镜在观测过程中能够保持样品的自然状态，防止其发生变形或变性，并且能够实现对生物样品的连续动态分析与成像，所以它的出现对于微观分析要求极高的生命科学领域无疑是一块大大的宝藏，发明至今，原子力显微镜已经帮助科学家们在细胞生物学领域取得了长足的进步。 1 原子力显微镜原理简介 简单地说，原子力显微镜（Atomic Force Microscopy）是通过控制并检测样品与显微镜配备的针尖间的相互作用力来实现高分辨成像的。[2]它将扫描的针尖制作在一个对微弱力极为敏感的V字型的微悬臂上，微悬臂的另一端固定住，使得针尖趋近样品并与样品表面轻轻接触。通过压电陶瓷管的伸缩可以控制原子间的作用力恒定，微悬臂由此可以随着样品表面的起伏而震动，通过光学检测方法可以得到样品形貌的信息。 2 原子力显微镜在细胞表面成像手段 原子力显微镜有三种工作方式：接触式（Contact Mode），非接触式（Non-Contact Mode）和轻敲式（Tapping Mode）。[3]在接触式状态下，针尖与样品的距离始终保持在零点几纳米的斥力区域，正因为这样的距离接近接触，所以能够得到非常稳定、高分辨的图像；而在非接触式状态下，针尖与样品的距离则大大远于接触式，主要检测原子间的范德华力和静电力等长程力，对样品无破坏作用，但是分辨率也比接触式低；介于两者之间的是轻敲模式。在轻敲模式下，针尖与样品有一个间断的接触，微悬臂的振动可以保证测量的准确性。因为针尖同样品有接触，所以得到的分辨率几乎接近于接触式，而又因为接触非常短暂，所以不大会破坏样品表面，特别适宜于分析柔软、粘性和脆性的样品，在液体中的成像表现也良好。综合上述分析，原子力显微镜在细胞表面的成像往往采用轻敲模式。