原子力显微镜

原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)是在1986年由扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Mi-croscope,STM)的发明者之一的Gerd Binnig博士在美国斯坦福大学与Quate C F和Gerber C等人研制成功的一种新型的显微镜[1]。它使用一个尖锐的探针扫描试样的表面,通过检出及控制探针与试样表面间的相互作用力来形成试样的表面形态图像。其图像可以是三维的,也可以数字进行定量分析,分辨率可达原子水平(10-10m)。对于非导电非导热性的试样也可进行观察。原子力显微镜至今已有多种变形,这些显微镜可分别用来研究材料表面形貌、力学特性、电磁特性、表面电力分布、表面热特性及光特性等,它们已在有机、无机、半导体、光记录材料及生物材料领域得到广泛的应用[2]。

　　1　原子力显微镜成像原理

　　如图1所示,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[3]。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2)就会引起微悬臂的形变。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-针尖间相互作用力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0.01 nm的微悬臂形变也可在光电检测器上产生10 nm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。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0,则可根据针尖-样品相互作用与间距的关系(如图2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　原子力显微镜的成像模式

　　探针和样品间的力-距离关系是此仪器测量的关键点。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3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2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[3]。其中轻敲模式适用于柔软、易脆和粘附性较强的样品,且不对它们产生破坏,而且适合在液体中成像。这种模式在高分子聚合物的结构研究和生物大分子的结构研究中应用广泛