原子力显微镜的基本原理及其方法学研究

22 生命科学仪器 2005 第3卷/第1期 研究 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 以光学显微镜、电子显微镜、扫描隧道显微镜 为代表的一系列先进显微技术的出现与应用,为人类 科技和社会进步做出了巨大贡献。1986年，IBM公 司的G.Binning和斯坦福大学的C.F.Quate及 C. Gerber合作发明的原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)[1]更是突出地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，它 是在扫描隧道显微镜基础上为观察非导电物质经改 进而发展起来的分子和原子级显微工具。对比于现 有的其它显微工具，原子力显微镜以其高分辨、制 样简单、操作易行等特点而备受关注，并已在生命 科学、材料科学等领域发挥了重大作用，极大地推 动了纳米科技的发展，促使人类进入了纳米时代。 国际上有关AFM的研究和应用的文章层出不穷，并 已经取得了辉煌的成就；国内也有一些研究成果， 但总体来说质量不高，这与我国低的AFM普及率和 使用率不无关系；另外，目前在国内还未发现完整 介绍AFM成像原理、基本构成、工作模式、操作性 能及仪器功能发展的文章出现。基于此，文章结合 WET-SPM-9500J3型显微镜对AFM做一次全面的 介绍和探讨。 1 原子力显微镜的成像原理 AFM是用一端固定而另一端装有纳米级针尖的 弹性微悬臂来检测样品表面形貌的。当样品在针尖 下面扫描时，同距离密切相关的针尖-样品相互作 用(见图3)就会引起微悬臂的形变。也就是说，微悬 臂的形变是对样品-针尖相互作用的直接反映[1]。通 过检测微悬臂产生的弹性形变量ΔZ, 就可以根据微 悬臂的弹性系数ｋ和函数式Ｆ=k·ΔZ直接求出样 品-针尖间相互作用Ｆ。AFM利用照射在悬臂尖端 的激光束的反射接收来检测微悬臂的形变。由于光 杠杆作用原理，即使小于0.01nm的微悬臂形变也可 在光电检测器上产生10nm左右的激光点位移，由 此产生的电压变化对应着微悬臂的形变量，通过一 定的函数变换便可得到悬臂形变量的测量值[2]。当 样品在XY平面内扫描时(对某一点其坐标为[x,y])， 若保持样品在Z轴方向静止，且令探针的竖直初始 位置为零，则可根据针尖-样品相互作用与间距的 关系(如图3曲线所示)得到样品表面的高度变化信 息Δh(x,y)，即样品表面任意点(x,y)相对于初始位点 的高度。对样品表面进行定域扫描便可得到此区域 的表面形貌A=A(x,y, Δh(x,y))。 2 原子力显微镜的主要构件和性能 AFM主要由为反馈光路提供光源的激光系统 ( L a s e r )、进行力 -距离反馈的微悬臂系统 (Cantilever)、执行光栅扫描和Z轴定位的压电扫描 器(x,y,z Piezo-scanner)、接收光反馈信号的光电探 测器(Detector)、反馈电子线路(Current Circle)、粗 原子力显微镜的基本原理及其方法学研究* 朱杰，孙润广 （陕西师范大学物理学与信息技术学院 生物物理研究室 西安 710062） 摘要 简述了原子力显微镜探测物体表面形貌的基本原理， 具体地介绍了原子力显微镜的四大核心构件的属性与功能 ： 激光器、微悬臂、压电扫描器、光电检测器管；详细地阐述了该仪器探测运行的三种模式：接触模式、非接触模式、轻 敲模式，并重点讲述了轻敲模式的独到之处；强调了原子力显微镜所能进行的参数 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和数据处理功能，同时将原子力 显微镜同其它表面探测仪进行了比较，突出了AFM的优越性；并结合仪器的构造和工作原理，对仪器的改进和发展提 出了一些建设性意见。 关键词 原子力显微镜；微悬臂；压电扫描器；光电检测器；运行模式 中图分类号：Q61　　 文献标识码：A *基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.20272035); 教育部科学技术研究重点项目(No.104167) 作者简介: 朱杰(1980- )男,土家族,湖南张家界人,硕士,助研,陕西省物理学会会员,主要从事原子力显微镜的分子生 物物理应用与理论生物物理研究。 23 生命科学仪器 2005 第3卷/第1期 研究论文 略定位系统、防震防噪声系统、计算机控制系统与 数据处理软件、样品探测环境控制系统(湿控、温 控、气环境控制等)、监控激光-悬臂-样品相对位 置的显微及CCD摄像系统等构成(见图1)。其中，前 四大系统是该仪器的核心部件(见图2)[3]。 图1 原子力显微镜的外貌图(WET-SPM-9500J3) 图2 原子力显微镜的核心组成部件示意图 2.1 激光器单元 激光器是光反馈通路的信号源。由于悬臂尖端 的空间有限性，就对照射器上的光束宽度提出了一 定要求：足够细、单色性好、发散程度弱；同时也 要求光源的稳定性高，可持续运行时间久，工作寿 命长。而激光正是能够很好地满足上述条件的光源。 2.2 微悬臂单元 微悬臂是探测样品的直接工具，它的属性直接 关系到仪器的精度和使用范围。微悬臂必须有足够 高的力反应能力，这就要求悬臂必须容易弯曲，也 易于复位，具有合适的弹性系数，使得零点几个纳 牛(nN)甚至更小的力的变化都可以被探测到；同时 也要求悬臂有足够高的时间分辨能力，因而要求悬 臂的共振频率应该足够高，可以追随表面高低起伏 的变化。根据上述两个要求，微悬臂的尺寸必须在 微米的范围，而位于微悬臂末端的探针则在10nm 左右[4]，而其上针尖的曲率半径约为30nm，悬臂的 固有频率则必须高于10kHz。通常使用的微悬臂材 料是Si3N4。其弹性系数k=3EI/L3=9.57mf2，其中E, I分别为杨氏模量、转动惯量，L,m,f分别是微悬臂 的长度、质量和共振频率。微悬臂的劲度常数一般 为4×10-3-2.0N/ｍ。 2.3 压电扫描单元 要探测样品表面的精细结构，除了高性能的微 悬臂以外，压电扫描器(压电换能器)的精确扫描和 灵敏反应也是同样重要的。压电换能器是能将机械 作用和电讯号互相转换的物理器件。它不仅能够使 样品在XY扫描平面内精确地移动，也能灵敏地感 受样品与探针间的作用，同时亦能将反馈光路的电 讯号转换成机械位移，进而灵敏地控制样品和探针 间的距离(力)，并 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 因扫描位置的改变而引起的Z 向伸缩量Δh(x,y)。这样，压电扫描器就对样品实现 了表面扫描[1,3]。常见扫描器的最小分辨率为0.1nm ×0.1nm×0.01nm。 2.4 光电检测与反馈单元 目前AFM探测悬臂微形变的主要方法是光束 偏转法：用一束激光照在微悬臂的尖端，而用位置 灵敏光检测器(PSPD)来接收悬臂尖端的反射激光 束，并输出反映反射光位置的信号[3]。由于悬臂的 形变会引起反射光束的偏移，导致反射光在PSPD 上位置的变化，进而产生反应悬臂的形变的电讯 号，以供调节压电扫描器的伸缩控制。 作为AFM的核心部件，它们是不可或缺的，要 得到满意的试验图像，总是要求各个部件的工作状 态都达到最佳。因此，AFM中最关键的技术就是高 性能激光器的设计、对微弱力作用极其敏感的微悬 臂的设计、为获得高分辨率的非常尖细针尖的制 备、精确扫描定位的压电换能器和光电检测技术的 研究。 3 原子力显微镜的成像模式及特点 经上文介绍可知，探针和样品间的力-距离关 系是本仪器测量的关键点。当选择不同的初始工作 距离时，探针所处的初始状态也是不同的。由此可 将原子力显微镜的操作模式分为三大类型：接触模 式(Contact Mode)、非接触模式(Non-contact Mode) 和轻敲模式(Tapping Mode)。图3给出了AFM不同 操作模式在针尖和样品相互作用力曲线中的工作区 间和力属性[5]。 24 生命科学仪器 2005 第3卷/第1期 研究论文 图3 原子力显微镜的工作模式在力-距离曲线上的分布 3.1 接触模式(Contact Mode) 样品扫描时，针尖始终同样品“接触”。此模式 通常产生稳定、高分辨图像。针尖-样品距离在小 于零点几个纳米的斥力区域，对应图3中的1-2段。 当样品沿着xy方向扫描时，由于表面的高低起伏使 得针尖-样品距离发生变化，引起它们之间作用力 的变化，从而使悬臂形变发生改变[3]。当激光束照 射到微悬臂的背面，再反射到位置灵敏的光电检测 器时，检测器不同象限会接收到同悬臂形变量成一 定的比例关系的激光强度差值。反馈回路根据检测 器的信号与预置值的差值，不断调整针尖-样品距 离，并且保持针尖-样品作用力不变，就可以得到 表面形貌像。这种测量模式称为恒力模式[1,3]。当已 知样品表面非常平滑时，可以让针尖-样品距离保 持恒定，这时针尖-样品作用力大小直接反映了表 面的高低，这种方法称恒高模式[1,3]。由于生物分子 的弹性模量较低，同基底间的吸附接触也很弱，针 尖-样品间的压缩力和摩擦力容易使样品发生变 形，从而降低图像质量。 3.2 非接触模(Non-contact Mode) 针尖在样品表面的上方振动，始终不与样品表 面接触。针尖检测的是范德瓦耳斯吸引力和静电力 等长程力，对样品没有破坏作用。针尖-样品距离 在几到几十纳米的吸引力区域，对应图3中的3-4 段，针尖-样品作用力比接触式小几个数量级，但 其力梯度为正且随针尖-样品距离减小而增大。当 以共振频率驱动的微悬臂接近样品表面时，由于受 到递增的力梯度作用，使得微悬臂的有效的共振频 率减小，因此在给定共振频率处，微悬臂的振幅将 减小很多[3]。振幅的变化量对应于力梯度量，因此对 应于针尖-样品间距。反馈系统通过调整针尖-样 品间距使得微悬臂的振幅在扫描时保持不变，就可 以得到样品的表面形貌像。但由于针尖-样品距离 较大，因此分辨率比接触式的低。到目前为止，非 接触模式通常不适合在液体中成像，在生物样品的 研究中也不常见[6]。 3.3 轻敲模式(Tapping Mode) 轻敲模式是上述两种模式之间的扫描方式。扫 描时，在共振频率附近以更大的振幅(>20nm)驱动 微悬臂，使得针尖与样品间断地接触[7]。当针尖没有 接触到表面时，微悬臂以一定的大振幅振动，当针 尖接近表面直至轻轻接触表面时，振幅将减小；而 当针尖反向远离时, 振幅又恢复到原值。反馈系统 通过检测该振幅来不断调整针尖-样品距离进而控 制微悬臂的振幅，使得作用在样品上的力保持恒定 [3]。由于针尖同样品接触，分辨率几乎与接触模式一 样好；又因为接触非常短暂，剪切力引起的样品破 坏几乎完全消失。轻敲模式适合于分析柔软、粘性 和脆性的样品，并适合在液体中成像 [8,16]。 4 原子力显微镜的功能 4.1 表面形貌的表征 通过检测探针-样品作用力可表征样品表面的 三维形貌，这是AFM最基本的功能[1]。由于表面的 高低起伏状态能够准确地以数值的形式获取，对表 面整体图像进行分析可得到样品表面的粗糙度( Roughness)、颗粒度(Granularity)、平均梯度(Step Height)、孔结构和孔径分布等参数[3,9] ；对小范围表 面图像分析还可得到表面物质的晶形结构、聚集状 态、分子的结构、面积和表面积及体积等；通过一 定的软件也可对样品的形貌进行丰富的三维模拟显 示如等高线显示法、亮度-高度对应法等，亦可转 换不同的视角，让图像更适于人的直观视觉[3]。 4.2 表面物化属性的表征 AFM的一种重要的测量方法是力-距离曲线， 它包含了丰富的针尖-样品作用信息。在探针接近 甚至压入样品表面又随后离开的过程中，测量并记 录探针所受到的力，就得到针尖和样品间的力-距 离曲线[10]。通过分析针尖-样品作用力，就能够了 解样品表面区域的各种性质如压弹性、粘弹性、硬 度等物理属性；若样品表面是有机物或生物分子， 还可通过探针与分子的结合拉伸了解物质分子的拉 伸弹性、聚集状态或空间构象等物理化学属性；若 用蛋白受体或其它生物大分子对探针进行修饰 (functionization)，探针则会具有特定的分子识别功 25 生命科学仪器 2005 第3卷/第1期 研究论文 能，从而了解样品表面分子的种类与分布等生物学 特性[16]。 4.3 AFM的功能拓展 根据针尖与样品材料的不同及针尖-样品距离 的不同，针尖-样品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。目前，通过控制 并检测针尖——样品作用力，AFM已经发展成为 扫描探针显微镜家族(SPM Family)，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[3]。摩擦力显微镜可分析研究材料的摩 擦系数[3] ；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[3,11,12] ；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[3]。 5 原子力显微镜的优点 除了上述强大的应用功能外，对比于现有的其 它显微工具，AFM还以其高的空间分辨率、广泛的 试验对象、制样方法的简易性及试验环境的多样性 等特点而备受青睐。其在材料科学、生命科学等领 域的研究上发挥着重大作用。 5.1 高的空间分辨率 AFM的放大倍数远远超过以往的任何显微镜： 光学显微镜的放大倍数一般都超不过103倍；电子 显微镜的放大极限为106倍；而AFM的放大倍数能 高达1010倍，比电子显微镜放大能力高104倍。高 的分辨率使AFM可直接观察物质的分子和原子，这 就为人类对微观世界的进一步探索提供了理想的工 具[3,16]。 5.2 广泛的试验对象 AFM可对导体、半导体和绝缘体材料进行研 究，如金属、陶瓷、半导体材料[17] ；AFM能对物 理材料、化学材料进行测量，如矿物、纸张、涂 料、无机物、有机高分子等[3,13] ；AFM能对生物 样品进行测量，如(植物、动物、细菌)的组织、细 胞、细胞器、生物大分子等[16] ；可也对表面软硬 不同的样品进行测量，如金刚石、牙齿骨骼、皮 肤组织、凝胶、肿瘤细胞等[16] ；亦可对不同状态 的物质进行测量，如薄膜、颗粒物质、液晶态物 质等[14,15,18,19]。但扫描隧道显微镜只能对表面导电 的物质进行表征，电子显微镜也要求对样品进行 复杂的前处理。 5.3 简单易行的制样过程 在生命科学研究领域，各种显微镜对其观察的 样本有不同的要求：电子显微镜的样品必须进行固 定、脱水、包埋、切片、染色等一系列处理，因此 电子显微镜只能观察死的细胞或组织的微观结构； 激光扫描共聚焦显微镜的样品必须经过特殊的荧光 染色，所以其应用受限于荧光探针技术的发展；扫 描隧道显微镜要求物质具有表面导电性，否则得进 行镀金处理，过程十分麻烦；而样本只需稍加固定 处理便可在AFM下进行观察[16]。 5.4 多样的试验环境 AFM的工作环境十分丰富，既可以在真空中， 也可以在大气中工作；可以在干燥气体氛围中进 行，也可以进行湿度控制；既可以对样品加热，也 可以对样品冷却；既可以对样品进行气体喷雾，也 可以在溶液中观察样品。在大气条件或溶液中都能 进行，这就为生命科学的研究提供了极大的便利[3]。 结合上述制样特点，AFM能观察生理状态下的生物 样品及其动态过程，并可考察环境对其生理状态的 影响[16]。对于其它材料亦可研究它们随环境变化而 发生的物化性质改变的规律。 6 结语 AFM的基本物理原理是很成熟的理论，但技术 不等于科学，仪器在运行时许多技术问题还有待更 多更深入的理论去解释，如探针针尖附近的流体力 学问题，探针-样品间的力场研究等。20年来，材 料科学、电子技术、计算机科学的进步极大地促进 了AFM技术的进步[16]。AFM技术的进一步突破还 依赖于稳定激光系统的研制、微悬臂系统的制作、 压电换能器材料的探索、光电二极管技术的改进； 同时也与电子线路、传动马达系统、防震防噪声系 统的设计与完善密切相关；另外，计算机技术的进 步和数据处理软件的开发更是不可忽视的关键因 素。 同时，AFM近年的发展也极大的推动了材料科 学、电子技术和生命科学的进步[16,20]。用AFM研究 纳米世界、了解纳米级物质的行为丰富了人们对世 界的认识，促进了社会的发展。特别是在生命科学 领域，AFM的研究让人们在原子和分子量级上去认 识生命成为可能[16]。可以预期，AFM的发展和应用 26 生命科学仪器 2005 第3卷/第1期 研究论文 有着无穷的潜力，它将为科学的发展和社会的进步 带来巨大突破。 参考文献 [1] Binning G, C.F.Quate, C.Gerber et al. 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Expatiated three kinds of running modes of this equipment such as contact mode, non-contact mode and tapping mode in details, and given prominence to the superiority of AFM according to the comparison and analysis between AFM and other surface detectors, and Stressed on the idiographic function of the instrument’s parameter-analysis and data-processing. And the paper ended with the author’s personal constructive suggestions to the improvement and development of this equipment by combining its constitutions and work principle. Keywords Atomic force microscope, Cantilever, Piezoelectric scanner, Photoelectric diode, Work modes