原子力显微镜的简介

廖烈文

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1 AFM的发明

1981年，格尔德·宾宁（G．Binnig）及海因里希·罗雷尔（H．Rohrer）在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明了扫描隧道显微镜（STM），两位发明者因发明这个显微镜，与恩斯特·鲁斯卡共同获得了1986年诺贝尔物理学奖，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表面电子行为有关的物理、化学性质[1]。但是，由于工作原理的，STM不能够用于观察绝缘物体的纳米结构，得到的结果也是表面高低起伏与导电性能变化的复合图象，无法分离出单纯的表面起伏数据，在此需求下，1986年，IBM公司苏黎世研究中心的格尔德·宾宁（G．Binnig）、斯坦福大学的凯尔文·魁特（Calvin Quate）（另有一说是和格勃（Gerber）三人于1985年）发明了第一台原子力显微镜（Atomic Force Microscope），很好的解决了STM无法观察绝缘物体的缺陷，不需要用导电薄膜覆盖，其应用领域将更为广阔．它得到的是对应于样品表面总电子密度的形貌，可以补充STM对样品观测得到的信息，且分辨率亦可达原子级水平[2]。

2 AFM的工作原理

AFM的工作原理如下：讲一个对微小力极为敏感的悬臂梁与一个可精密控制的压电陶瓷固定在一起，悬臂梁的另一头有一个微小的针尖，当针尖与样品之间的距离足够小，以至于达到原子级别时，二者之间的表面原子会存在极为微弱的相互作用力（可能是范德华力、克什米尔效应等）（10-8~10-6N），这个微弱的作用力导致悬臂梁在z方向形变，通过各种检测方法，可以将形变量记录下来。这个形变量即反映了样品表面的形貌。

AFM的关键组成部分是一个头上带有一个用来扫描样品表面的尖细探针的微观悬臂，悬臂的弯曲遵循胡克定律，即弯曲程度与所受外力成正比，公式F = K· ΔZ，这样的函数关系便能够表达出样品表面的高低起伏。常用的检测方法为光杠杆法，具体如下图：

图1：AFM的光杠杆法[1]

由发射激光的发射器（laser）发射一束激光，照射至悬臂梁上（spring cantilever），被悬臂梁将型变线性放大后反射至光接收器（position sensitive detector），光接收器将光位置信号转换成为数据传入处理器（computer），由处理器根据胡克定律及悬臂梁初始位置等数据计算出样品（sample）表面高低起伏。

此外，还有扫描隧道检测法等其他检测方法。

由于AFM探测所需要的高精度检测、需要光或电等检测方法等，要求AFM的核心部件——悬臂和探针有如下特性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弯曲；④微悬臂长度尽可能短；⑤微悬臂带有能够通过光学、电容或隧道电流方法检测其动态位移的镜子或电极；⑥针尖尽可能尖锐．[3]

3 AFM的三种工作模式

AFM共有三种不同的工作模式：接触模式（contact mode）、非接触模式（noncontact mode）和轻敲模式（tapping mode）。

图2：AFM应用的力与距离的关系[4]

1）接触模式

接触模式又分为两种模式： ①恒力模式

恒力模式是指通过控制悬臂所受原子力大小不变，通过悬臂梁的Z方向位移来反映样品表面的高低起伏，这种方法也是常用的方法，对样品表面破坏较小，得到的数据更为精确，适用于物质表面的观测与分析。

②恒高模式

恒高模式是指固定探针与样品相对高度不变，检测悬臂梁的z方向位移来获得所受力，从而获得物体表面数据。这种方式对高度变化敏感，可以加快扫描速度，适用于表面较为平整，对分子、原子的图象的观察。

接触模式的特点就如名字一样，探针与样品保持接触，在表面滑动，针尖与样品直接的相互作用力是两者表面相接触的原子间的排斥力，范围为10-8-10-11N，接触模式就是依靠这种斥力来获得稳定，高分辨样品表面形貌图象。但是缺点显而易见，由于探针与样品保持接触，遇到起伏较为剧烈的情况时，容易损坏探针、对样品表面造成划伤等破坏，故不适用于需要保持完整性的如活体标本等样品，也不适用于表面起伏剧烈，硬度较高的样品。

2）非接触模式

非接触模式是针尖始终与样品保持一定距离，距离一般在5nm-20nm，通过表面原子、分子间的范德华力导致悬臂梁振动，通过保持其共振频率或者振幅大小来检测针尖与样品间的距离。因为范德华力小于接触模式中的分子间斥力，故灵敏度有所提高，但分辨率有所降低。此外，这种模式不能再液体中使用。

3）轻敲模式 在轻敲模式中，通过调制压电陶瓷驱动器使带针尖的微悬臂以某一高频的共振频率和0．01～1 nm的振幅在z方向上共振，而微悬臂的共振频率可通过氟化橡胶 减振器来改变．同时反馈系统通过调整样品与针尖间距来控制微悬臂振幅与相位，记录样品的上下移动情况，即在Z方向上扫描器的移动情况来获得图像．[4] 这种方式的针尖与样品接触时间短，振幅可以实时控制，因此适用于柔软、易碎、和粘附性较强的样品，并且对样品造成的破坏远小于接触模式，故在高分子聚合物的结构研究和生物大分子结构研究中应用广泛。

4简要介绍最近AFM的发展

1）卧式AFM

由于微探针的重力方向与纵向所受原子力及驱动力方向一致，探针的自重与原子力的大小可比拟，因此当探针与样品之间作快速扫描时，重力的存在势必影响微悬臂的偏转灵敏度和偏转量的大小，从而造成扫描图象的失真，这种失真在以接触模式扫描样品时尤为明显。为消除这一影响，我们将传统的立式AFM改进为卧式结构，以使重力方向与用于成象的纵向力方向相互垂直，从 而提高仪器的灵敏度和分辨率,同时减小针尖对样品表面影响，取得了良好效果。[7]

2）大扫描范围原子力显微镜

大扫描范围AFM的系统框图如图3所示。由电脑输出x，，方向的扫描信号，经放大电路放大后，驱动扫描器进行扫描。扫描过程中PsD接收到的光斑位置将产生，PsD将获得的光斑位置信号转化为电信号输出，一路由电脑通过A巾卡接收，绘出图像。另一路通过比例积分微分(PD)反馈电路、高压放大电路后驱动z向压电陶瓷做反馈补偿。当扫描器扫描完一幅图像后，由电脑控制步进电机推动样品台移动一段距离，再扫描下一幅图像。从而得到一系列样品图像，通过图象拼接实现大范围扫描。[9]

图3：大扫描范围AFM的系统框图

3）双探针原子力显微镜

双探针对顶测量可以消除探针形状对测量结果的影响。测量之前先将两个探针在三维方向上对准，如图4所示，Xc，和Yc。分别代表探针接触时相对参考点的位置，然后将两个探针分开，分别测量线条的两侧，X和Y表示测量时探针与参考点的距离。

图4：双探针对顶测量原理

双探针测量的关键在于2个探针能在三维方向上对准。鉴于光学镜头和电荷耦合元件(CCD)能达到亚微米级分辨率，提出了一种基于视觉引导的对针方法，对探针的位置进行实时控制，在亚微米级范围内实现了针尖对准。[8]

参考文献： [1]电子发烧友

http://www.elecfans.com/dianzichangshi/2009031028633.html

[2]白春礼 扫描隧道显微术及其应用上海科学技术出版社 1992

[3]刘延辉 原子力显微镜及其在各个研究领域的应用 http://www.docin.com/p-724149260.html

[4]图片来源：http://www.knvs.tp.edu.tw/AFM/ch2.htm [5]刘小虹 原子力显微镜及其应用 自然杂志 24.1 2005 [6]刘小虹 原子力显微镜及其应用 自然杂志 24.1 2005

[7]张冬仙 新型原子力显微镜的研制及其应用 光子学报 2002年01卷 2002 [8]施洋 新型大扫描范围原子力显微镜的研究 光电工程 31卷第6期 2004 [9]张华坤 双探针原子力显微镜视觉对准系统 光学精密工程 2014.9 2014.22.9