原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope ,AFM�,一種可用來研究包括絕緣體在�(nèi)的固體材料表面結(jié)�(gòu)的分析儀器。它通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質(zhì)的表面結(jié)�(gòu)及性質(zhì)。將一對微弱力極端敏感的微懸臂一端固�,另一端的微小針尖接近樣品,這時它將與其相互作用,作用力將使得微懸臂�(fā)生形變或�(yùn)動狀�(tài)�(fā)生變�。掃描樣品時,利�傳感�檢測這些變化,就可獲得作用力分布信息,從而以納米�分辨�獲得表面形貌�(jié)�(gòu)信息及表面粗糙度信息�
原子力顯微鏡(atomic force microscope,簡稱AFM)利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細(xì)探針與受測樣品原子之間的作用�,從而達(dá)到檢測的目的,具有原子級的分辨率。由于原子力顯微鏡既可以觀察導(dǎo)體,也可以觀察非�(dǎo)�,從而彌�(bǔ)了掃描隧道顯微鏡的不�。原子力顯微鏡是由IBM公司蘇黎世研究中心的格爾德·賓寧于一九八五年所�(fā)明的,其目的是為了使非導(dǎo)體也可以采用類似掃描探針顯微鏡(SPM)的觀測方�。原子力顯微鏡(AFM)與掃描隧道顯微鏡(STM)的差別在于并非利用電子隧穿效應(yīng),而是檢測原子之間的接�,原子鍵�,范德瓦耳斯力或卡西米爾效應(yīng)等來呈現(xiàn)樣品的表面特��
原子力顯微鏡的基本原理是:將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定,另一端有一微小的針�,針尖與樣品表面輕輕接觸,由于針尖原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力,通過在掃描時控制這種力的恒定,帶有針尖的微懸臂將對應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏�(yùn)�。利用光�(xué)檢測法或隧道電流檢測法,可測得微懸臂對應(yīng)于掃描各�(diǎn)的位置變�,從而可以獲得樣品表面形貌的信息。我們以激光檢測原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection,Laser-AFM)來詳細(xì)說明其工作原��
�(yōu)�(diǎn)
相對于掃描電子顯微鏡,原子力顯微鏡具有許多優(yōu)�(diǎn)。不同于電子顯微鏡只能提供二維圖像,AFM提供真正的三維表面圖。同�,AFM不需要對樣品的任何特殊處�,如鍍銅或碳,這種處理對樣品會造成不可逆轉(zhuǎn)的傷�。第�,電子顯微鏡需要運(yùn)行在高真空條件下,原子力顯微鏡在常壓下甚至在液體�(huán)境下都可以良好工�。這樣可以用來研究生物宏觀分子,甚至活的生物組�。原子力顯微鏡與掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope)相�,由于能觀測非�(dǎo)電樣品,因此具有更為廣泛的適用性。當(dāng)前在科學(xué)研究和工�(yè)界廣泛使用的掃描力顯微鏡,其基礎(chǔ)就是原子力顯微鏡�
缺點(diǎn)
和掃描電子顯微鏡(SEM)相�,AFM的缺�(diǎn)在于成像范圍太小,速度�,受探頭的影響太��
儀器結(jié)�(gòu)
在原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy,AFM)的系統(tǒng)�,可分成三個部分:力檢測部�、位置檢測部�、反饋系�(tǒng)�
力檢測部�
在原子力顯微鏡(AFM)的系統(tǒng)�,所要檢測的力是原子與原子之間的范德華力。所以在本系�(tǒng)中是使用微小懸臂(cantilever)來檢測原子之間力的變化量。微懸臂通常由一個一�100~500μm長和大約500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制�。微懸臂頂端有一個尖銳針尖,用來檢測樣品-針尖間的相互作用力。這微小懸臂有一定的�(guī)格,例如:長�、寬�、彈性系�(shù)以及針尖的形狀,而這些�(guī)格的選擇是依照樣品的特�,以及操作模式的不同,而選擇不同類型的探針�
位置檢測部分
在原子力顯微鏡(AFM)的系統(tǒng)�,當(dāng)針尖與樣品之間有了交互作用之后,會使得懸臂cantilever擺動,當(dāng)激光照射在微懸臂的末端�,其反射光的位置也會�?yàn)閼冶蹟[動而有所改變,這就造成偏移量的�(chǎn)生。在整個系�(tǒng)中是依靠激光光斑位置檢測器將偏移量記錄下并�(zhuǎn)換成電的信號,以供SPM控制器作信號處理�
反饋系統(tǒng)
在原子力顯微鏡(AFM)的系統(tǒng)�,將信號�(jīng)由激光檢測器取入之后,在反饋系統(tǒng)中會將此信號�(dāng)作反饋信�,作為內(nèi)部的�(diào)整信�,并�(qū)使通常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適�(dāng)?shù)囊苿樱员3謽悠放c針尖保持一定的作用��
總結(jié)
AFM系統(tǒng)使用壓電陶瓷管制作的掃描器精確控制微小的掃描移動。壓電陶瓷是一種性能奇特的材�,當(dāng)在壓電陶瓷對稱的兩個端面加上電壓時,壓電陶瓷會按特定的方向伸長或縮�。而伸長或縮短的尺寸與所加的電壓的大小成線性關(guān)系。即可以通過改變電壓來控制壓電陶瓷的微小伸縮。通常把三個分別代表X,Y,Z方向的壓電陶瓷塊組成三角架的形狀,通過控制X,Y方向伸縮�(dá)到驅(qū)動探針在樣品表面掃描的目�;通過控制Z方向壓電陶瓷的伸縮達(dá)到控制探針與樣品之間距離的目的�
原子力顯微鏡(AFM)便是結(jié)合以上三個部分來將樣品的表面特性呈�(xiàn)出來的:在原子力顯微鏡(AFM)的系統(tǒng)�,使用微小懸臂(cantilever)來感測針尖與樣品之間的相互作用,這作用力會使微懸臂擺動,再利用激光將光照射在懸臂的末�,當(dāng)擺動形成�,會使反射光的位置改變而造成偏移量,此時激光檢測器會記錄此偏移�,也會把此時的信號給反饋系統(tǒng),以利于系統(tǒng)做適�(dāng)?shù)恼{(diào)�,再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現(xiàn)出來�
原子力顯微鏡的工作模式是以針尖與樣品之間的作用力的形式來分類的。主要有以下3種操作模式:接觸模式(contact mode) ,非接觸模式� non - contact mode) 和敲擊模�( tapping mode��
接觸模式
從概念上來理�,接觸模式是AFM最直接的成像模式。AFM 在整個掃描成像過程之�,探針針尖始終與樣品表面保持緊密的接觸,而相互作用力是排斥力。掃描時,懸臂施加在針尖上的力有可能破壞試樣的表面結(jié)�(gòu),因此力的大小范圍在10 - 10�10 - 6 N。若樣品表面柔嫩而不能承受這樣的力,便不宜選用接觸模式對樣品表面�(jìn)行成��
非接觸模�
非接觸模式探測試樣表面時懸臂在距離試樣表面上�5�10 nm 的距離處振蕩。這時,樣品與針尖之間的相互作用由范德華力控制,通常�10 - 12 N ,樣品不會被破壞,而且針尖也不會被污染,特別適合于研究柔嫩物體的表�。這種操作模式的不利之處在于要在室溫大氣環(huán)境下�(shí)�(xiàn)這種模式十分困難。因?yàn)闃悠繁砻娌豢杀苊獾貢e聚薄薄的一層水,它會在樣品與針尖之間搭起一小小的毛�(xì)�,將針尖與表面吸在一�,從而增加對表面的壓��
敲擊模式
敲擊模式介于接觸模式和非接觸模式之間,是一個雜化的概念。懸臂在試樣表面上方以其共振頻率振蕩,針尖僅僅是周期性地短暫地接�/ 敲擊樣品表面。這就意味著針尖接觸樣品時所�(chǎn)生的�(cè)向力被明顯地減小�。因此當(dāng)檢測柔嫩的樣品時,AFM的敲擊模式是的選擇之一。一旦AFM開始對樣品�(jìn)行成像掃描,裝置隨即將有�(guān)�(shù)�(jù)輸入系統(tǒng),如表面粗糙度、平均高�、峰谷峰頂之間的距離�,用于物體表面分析。同�,AFM 還可以完成力的測量工�,測量懸臂的彎曲程度來確定針尖與樣品之間的作用力大小�
三種模式的比�
接觸模式(Contact Mode):
�(yōu)�(diǎn):掃描速度�,是能夠獲得“原子分辨率”圖像的AFM垂直方向上有明顯變化的質(zhì)硬樣�,有時更適于用Contact Mode掃描成像�
缺點(diǎn):橫向力影響圖像�(zhì)�。在空氣中,�?yàn)闃悠繁砻嫖揭簩拥拿�?xì)作用,使針尖與樣品之間的粘著力很�。橫向力與粘著力的合力導(dǎo)致圖像空間分辨率降低,而且針尖刮擦樣品會損壞軟�(zhì)樣品(如生物樣品,聚合體等)�
非接觸模式:
�(yōu)�(diǎn):沒有力作用于樣品表��
缺點(diǎn):由于針尖與樣品分離,橫向分辨率�;為了避免接觸吸附層而導(dǎo)致針尖膠�,其掃描速度低于Tapping Mode和Contact Mode AFM。通常僅用于非常怕水的樣品,吸附液層必須�,如果太�,針尖會陷入液層,引起反饋不�(wěn),刮擦樣�。由于上述缺�(diǎn),on-contact Mode的使用受到限��
輕敲模式�
�(yōu)�(diǎn):很好的消除了橫向力的影�。降低了由吸附液層引起的�,圖像分辨率�,適于觀測軟、易�、或膠粘性樣�,不會損傷其表面�
缺點(diǎn):比Contact Mode AFM 的掃描速度��
其他模式
除了上面三種常見的三種工作模式外,原子力顯微鏡還可以�(jìn)行下面的工作�
1、橫向力顯微鏡(LFM�
橫向力顯微鏡(LFM)是在原子力顯微鏡(AFM)表面形貌成像基�(chǔ)上發(fā)展的新技�(shù)之一。工作原理與接觸模式的原子力顯微鏡相�。當(dāng)微懸臂在樣品上方掃描時,由于針尖與樣品表面的相互作用,導(dǎo)致懸臂擺�,其擺動的方向大致有兩個:垂直與水平方�。一般來說,激光位置探測器所探測到的垂直方向的變�,反映的是樣品表面的形態(tài),而在水平方向上所探測到的信號的變�,由于物�(zhì)表面材料特性的不同,其摩擦系數(shù)也不�,所以在掃描的過程中,導(dǎo)致微懸臂左右扭曲的程度也不同,檢測器根據(jù)激光束在四個象限中,(A+C�-(B+D)這個強(qiáng)度差值來檢測微懸臂的扭轉(zhuǎn)彎曲程度。而微懸臂的扭�(zhuǎn)彎曲程度隨表面摩擦特性變化而增減(增加摩擦力導(dǎo)致更大的扭轉(zhuǎn))。激光檢測器的四個象限可以實(shí)時分別測量并記錄形貌和橫向力�(shù)�(jù)�
2、曲線測�
SFM除了形貌測量之外,還能測量力對探�-樣品間距離的�(guān)系曲線Zt(Zs�。它幾乎包含了所有關(guān)于樣品和針尖間相互作用的必要信息。當(dāng)微懸臂固定端被垂直接�,然后離開樣品表面時,微懸臂和樣品間�(chǎn)生了相對移動。而在這個過程中微懸臂自由端的探針也在接�、甚至壓入樣品表�,然后脫�,此時原子力顯微鏡(AFM)測量并記錄了探�?biāo)惺艿牧Γ瑥亩玫搅η�。Zs是樣品的移動,Zt是微懸臂的移�。這兩個移動近似于垂直于樣品表�。用懸臂彈性系�(shù)c乘以Zt,可以得到力F=c·Zt。如果忽略樣品和針尖彈性變形,可以通過s=Zt-Zs給出針尖和樣品間相互作用距離s。這樣能從Zt(Zs)曲線決定出�-距離�(guān)系F(s)。這個技�(shù)可以用來測量探針尖和樣品表面間的排斥力或長程吸引�,揭示定域的化學(xué)和機(jī)械性質(zhì),像粘附力和彈力,甚至吸附分子層的厚�。如果將探針用特定分子或基團(tuán)修飾,利用力曲線分析技�(shù)就能夠給出特異結(jié)合分子間的力或鍵的強(qiáng)�,其中也包括特定分子間的膠體力以及疏水力、長程引力等�
3、納米加�
掃描探針納米加工技�(shù)是納米科技的核心技�(shù)之一,其基本的原理是利用SPM的探針-樣品納米可控定位和運(yùn)動及其相互作用對樣品�(jìn)行納米加工操�,常用的納米加工技�(shù)包括:機(jī)械刻�、電�/場致刻蝕、浸潤筆(Dip-Pen Nano-lithography,DNP)等�
原子力顯微鏡研究對象可以是有�(jī)固體、聚合物以及生物大分子等,樣品的載體選擇范圍很大,包括云母片、玻璃片、石墨、拋光硅�、二氧化硅和某些生物膜等,其中最常用的是新剝離的云母片,主要原因是其非常平整且容易處�。而拋光硅片要用濃硫酸�30%雙氧水的7�3 混合液在90 ℃下�1h。利用電性能測試時需要導(dǎo)電性能良好的載�,如石墨或鍍有金屬的基片�
試樣的厚�,包括試樣臺的厚度,�10 mm。如果試樣過重,有時會影響Scanner的動�,請不要放過重的試樣。試樣的大小以不大于試樣臺的大小(直�20 mm)為大致的標(biāo)�(zhǔn)。稍微大一�(diǎn)也沒問題。但�,值約�40 mm。如果未固定好就�(jìn)行測量可能產(chǎn)生移位。請固定好后再測定�
隨著科學(xué)技�(shù)的發(fā)�,生命科�(xué)開始向定量科�(xué)方向�(fā)展。大部分�(shí)�(yàn)的研究重�(diǎn)已經(jīng)變成生物大分�,特別是核酸和蛋白質(zhì)的結(jié)�(gòu)及其相關(guān)功能的關(guān)系。因?yàn)锳FM的工作范圍很�,可以在自然狀�(tài)(空氣或者液體)下對生物�(yī)�(xué)樣品直接�(jìn)行成�,分辨率也很�。因�,AFM已成為研究生物醫(yī)�(xué)樣品和生物大分子的重要工具之一。AFM�(yīng)用主要包括三個方面:生物�(xì)胞的表面形態(tài)觀�;生物大分子的結(jié)�(gòu)及其他性質(zhì)的觀測研究;生物分子之間力譜曲線的觀��