原子力显微镜发展

　　原子力显微镜是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。

原子力显微镜发展历史

　　如何观察、测量、分析尺寸小于可见光波长的物体，是科学技术中一个重要的研究方向。

　　1933年德国Ruska和Knoll研制了diyi台电子显微镜。随后，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)、化学分析电子能谱(ESCA)仪等，但是多数技术都无法真正地直接观测物体的微观世界。

　　1982年，G.Binnig和H.Rohre共同研制成功了diyi台扫描隧道显微镜(STM)，使人们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。1986年，两人被授予诺贝尔物理学奖。扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子理论中的隧道效应。将原子线度的极细探针和被研究样品的表面作为两个电极，当样品的表面与探针针尖的距离非常近时(一般小于1nm)，在外加电场作用下，电子会穿过两个电子之间的势垒流向另一电极，产生隧穿电流，因而扫描隧道显微镜要求样品表面能够导电，从而使得扫描隧道显微镜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。

　　1986年推出的原子力显微镜(AFM)，克服了扫描隧道显微镜的不足之处。Binnig等用微悬臂作为力信号的传播媒介，把微悬臂放在样品和扫描隧道显微镜的针尖之间。原子力显微镜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。因此原子力显微镜除用于导电样品外，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。它得到的是对应于样品表面总电子密度的形貌，可以补充扫描隧道显微镜对样品观测得到的信息，且分辨率可达原子级水平。1988年，国外开始对原子力显微镜进行改进，研制出了激光检测原子力显微镜。

　　1988年初ZG科学院白春礼等成功地研制了我国diyi台集计算机控制、数据分析和图像处理系统于一体的扫描隧道显微镜(STM)，于同年年底又研制出我国diyi台原子力显微镜，其性能达到原子级分辨率。后来又在已有的扫描隧道显微镜和原子力显微镜的基础上成功地研制出国内首台全自动激光检测原子力显微镜，其横向分辨率为0.13nm。以扫描隧道显微镜和原子力显微镜为基础，衍生出了一系列扫描探针显微镜(SPM)，如激光力显微镜(LFM)、磁力显微镜(MFM)、扫描电化学显微镜(SECM)、近光光学显微镜(SNOM)、弹道电子发射显微镜(BEEM)、扫描离子电导显微镜(SICM)等。

　　2011年5月2日布鲁克公司发布了一款具有创新性和独特外形的原子力显微镜新品。该产品在不牺牲纳米级分辨率的前提下，在提高显微镜成像速度方面取得了重大突破，其扫描速度提高了数百倍，能够在数秒或数分钟内，而不是数小时或数天内得出结果，是世界上扫描速度Z快的高分辨原子力显微镜。

原子力显微镜发展趋势

　　由于原子力显微镜独特的成像方式，使得它在科学研究工作中，如金属、半导体材料、微电子、物理、化学、生物，纳米材料、生命科学等众多科学领域中得到迅速的发展和应用。但对生物样品的观测还处在比较初级阶段的水平上。

　　但近年来，国内外研究表明：原子力显微镜在生物医学研究中的应用具有很大潜力。如果我们将细胞学、免疫学、生物化学、分子牛物学、生物物理学等与原子力显微镜技术有机地结合起来，将原子力显微镜和其他仪器设备(如透射电子显微镜、激光共聚焦显微镜、生物质谱、核磁共振、X晶体衍射等)结合起来，相互补允、取长补短，一定会获得很好的研究结果。

　　当然原子力显微镜也还有许多问题尚未解决。如生物软样品分辨率的提高、生物标本的固定、功能化探针的制备等。尽管如此，可以相信，随着原子力显微镜技术的逐渐成熟，它将对生命科学的发展做出蘑大的贡献。