原子力顯微鏡

原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope,AFM)是在1986年由掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Mi-croscope,STM)的發明者之一的Gerd Binnig博士在美國斯坦福大學與Quate C F和Gerber C等人研制成功的一種新型的顯微鏡[1]。它使用一個尖銳的探針掃描試樣的表面,通過檢出及控制探針與試樣表面間的相互作用力來形成試樣的表面形態圖像。其圖像可以是三維的,也可以數字進行定量分析,分辨率可達原子水平(10-10m)。對于非導電非導熱性的試樣也可進行觀察。原子力顯微鏡至今已有多種變形,這些顯微鏡可分別用來研究材料表面形貌、力學特性、電磁特性、表面電力分布、表面熱特性及光特性等,它們已在有機、無機、半導體、光記錄材料及生物材料領域得到廣泛的應用[2]。

　　1　原子力顯微鏡成像原理

　　如圖1所示,AFM是用一端固定而另一端裝有納米級針尖的彈性微懸臂來檢測樣品表面形貌的[3]。當樣品在針尖下面掃描時,同距離密切相關的針尖-樣品相互作用(見圖2)就會引起微懸臂的形變。通過檢測微懸臂產生的彈性形變量ΔZ,就可以根據微懸臂的彈性系數k和函數式F=k·ΔZ直接求出樣品-針尖間相互作用力F。AFM利用照射在懸臂尖端的激光束的反射接收來檢測微懸臂的形變。由于光杠桿作用原理,即使小于0.01 nm的微懸臂形變也可在光電檢測器上產生10 nm左右的激光點位移,由此產生的電壓變化對應著微懸臂的形變量,通過一定的函數變換便可得到懸臂形變量的測量值。當樣品在XY平面內掃描時(對某一點其坐標為[x,y]),若保持樣品在Z軸方向靜止,且令探針的豎直初始位置為0,則可根據針尖-樣品相互作用與間距的關系(如圖2曲線所示)得到樣品表面的高度變化信息Δh(x,y),即樣品表面任意點(x,y)相對于初始位點的高度。對樣品表面進行定域掃描便可得到此區域的表面形貌A=A(x,y,Δh(x,y))。

　　2　原子力顯微鏡的成像模式

　　探針和樣品間的力-距離關系是此儀器測量的關鍵點。當選擇不同的初始工作距離時,探針所處的初始狀態也是不同的。由此可將原子力顯微鏡的操作模式分為3大類型:接觸模式(Contact Mode)、非接觸模式(Non-contact Mode)和輕敲模式(Tapping Mode)。圖2給出了AFM不同操作模式在針尖和樣品相互作用力曲線中的工作區間和力屬性[3]。其中輕敲模式適用于柔軟、易脆和粘附性較強的樣品,且不對它們產生破壞,而且適合在液體中成像。這種模式在高分子聚合物的結構研究和生物大分子的結構研究中應用廣泛