原子力显微镜（AFM)原理及应用！

AFM 发展背景

1982年，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）的问世轰动了科学界，这是一种能在原子尺度真实反映材料表面信息的仪器，它利用探针和导电表面之间随距离成指数变化的隧穿电流来进行成像，使人们次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广阔的应用前景，被科学界公认为二十世纪八十年代世界十大科技成就之一。STM 的发明人，IBM 公司苏黎世实验室的 Binnig 和 Rohrer，于 1986年被授予诺贝尔物理学奖。但 STM 的工作原理决定了它只能对导电样品的表面进行研究，而不能对绝缘体表面进行检测。为了弥补STM这一不足，1986 年 IBM 公司的 Binnig和斯坦福大学的Quate及Gerber合作发明了原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）。AFM 可以在真空、大气甚至液下操作，既可以检测导体、半导体表面，也可以检测绝缘体表面，扫描探针成像的显微仪器统称为扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）。SPM迅速发展成研究纳米科学的重要工具。

SPM 的工作原理

SPM 是一类仪器的统称，Z主要的扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）。SPM是STM和以 AFM 为代表的扫描力显微镜（Scanning Force Microscope，SFM）。SPM 的两个关键部件是探针（Probe）和扫描管（Scanner），当探针和样品接近到一定程度时，如果有一个足够灵敏且随探针-样品距离单调变化的物理量 P=P(z)，那么该物理量可以用于反馈系统（Feedback System，FS），通过扫描管的移动来控制探针-样品间的距离，从而描绘材料的表面性质。图 1-1 是 SPM 工作原理的示意图。

图 1-1 SPM 工作原理示意图

AFM工作原理：

AFM整个扫描过程表述如下：系统以悬臂振幅作为反馈信号，扫描开始时，悬臂的振幅等于阈值，当探针扫描到样品形貌变化时，振幅发生改变，探测信号偏离了阈值而产生了误差信号。系统通过 PID 控制器消除误差信号，引起扫描管的运动，从而记录下样品形貌。整个 AFM 系统如图 1-2 所示。

图 1-2 AFM 工作原理示意图

AFM的几种基本成像模式

①轻敲模式：通过使用处于振动状态的探针针尖对样品表面进行敲击来生成形貌图像。扫描过程中，探针悬臂的振幅随样品表面形貌的起伏而变化，从而反映出形貌的起伏。其优点是消除了会对样品造成损伤并降低图像分辨率的横向力影响，并且可以不受在常见成像环境下样品表面附着的水膜的影响。缺点是扫描速度比接触模式稍微慢一些。

②接触模式：探针针尖始终与样品保持接触。针尖位于弹性系数很低的悬臂末端。当扫描管引导针尖在样品上方扫过（或样品在针尖下方移动）时，接触作用力使悬臂发生弯曲，从而反映出形貌的起伏。其优点是可以达到很高的分辨率，缺点是有可能对样品表面 造成损坏，横向的剪切力和表面的毛细力都会影响成像。

③非接触模式：成像时，探针悬臂在样品表面附近处于振动状态。针尖与样品的间距通常在几个纳米以内，在这一区域中针尖和样品原子间的相互作用力表现为范德华吸引力。其优点是对样品表面没有损伤，缺点是分辨率低，扫描速度慢，为了避免被样品表面的水膜黏住，往往只用于扫描疏水表面。

④扭转共振模式：悬臂以长轴为中心做扭转振动，并引发针尖处于抖动状态。当针尖在样品表面遇到横向作用力时，系统可以检测到悬臂扭转振动的变化，来探测样品表面形貌的起伏。其优点是振幅小因此对样品的损伤小，分辨率高，缺点是会受到表面毛细力的影响。

⑤PeakForce Tapping：这是Bruker公司发布的一种新的基本成像模式，默认采 用2kHz的频率在整个表面做力曲线，利用峰值力做反馈，通过扫描管的移动来保持探针和样品之间的峰值力恒定，从而反映出表面形貌。其优点是直接用力做反馈使得探针和样品间的相互作用可以很小，这样就能够对很黏很软的样品成像；同时，使用力直接作为反馈，可以直接定量得到表面的力学信息。

表1-1 不同的物理量用于 AFM反馈系统时对应的成像模式

应用案例

01 接触模式&轻敲模式下硅外延生长形貌图

02 接触式细菌蛋白的六角晶格结构(200nm)成象图（液体中）

 03  轻敲模式在钇薄膜上的氧化钇

04  轻敲模式云母基底上的碱基对DNA分子(液体中)

05 PeakForce Tapping活细胞成像

PeakForce Tappin模式是Bruker公司特有的技术，在进行高分辨成像的同时，可以同时得到定量的模量，粘附力，能量消散以及形变等，还可以直接控制力在极低的水平，这样可以控制有限的压痕的深度，不损伤样品并同时得到高分辨成像。

总结

原子力显微镜因其探针的特殊工作模式，已经成为材料研究领域中主要使用的仪器之一。具有较为成熟的物理学测量原理，能对测定样品表面有着较好的测量表征能力。原子力显微镜已经应用于自然科学的许多学科中的问题，包括固体物理、半导体科学和技术、分子工程、聚合物化学和物理、表面化学、分子生物学、细胞生物学和医学。固态物理领域的应用包括(a)表面原子的识别，(b)特定原子与其相邻原子之间相互作用的评估，以及(c)通过原子操作对原子排列变化引起的物理性质变化的研究。在分子生物学中，原子力显微镜可以用来研究蛋白质复合物和组件的结构和机械性能。例如，原子力显微镜已经用于微管成像和测量它们的硬度。在细胞生物学中，原子力显微镜可用于根据细胞硬度来区分癌细胞和正常细胞，并在竞争性培养系统中评估特定细胞与其相邻细胞之间的相互作用。原子力显微镜也可以用来缩进细胞，研究它们如何调节细胞膜或细胞壁的硬度或形状。AFM还可与其他仪器（TEM、SEM、XRD 等）配合使用，从而达到综合各方面表征样品目的。随着人工智能以及IT系统的飞速发展，更优良的测量部件的应用以及更精确的系统控制和反馈，必将引领 AFM 在测量精度等方面的提升，使得其必将作为一种基本常用的表征手段被应用于化学、生物等更多领域。

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