原子力显微镜在表面分析中的应用

王明友，王卓群，焦丽君



原子力显微镜在表面分析中的应用

王明友，王卓群，焦丽君

（邢台职业技术学院，河北邢台 054035）

原子力显微镜（AFM）作为现代微观领域研究的重要工具，在表面分析中具有广泛的应用，它具有非常高的分辨率，是近年来表面成像技术中最重要的进展之一。本文介绍了利用原子力显微镜进行表面分析研究的基本原理以及原子力显微镜的硬件系统组成，重点介绍了利用原子力显微镜在生物、化学、材料等领域进行表面分析的现状。

原子力显微镜；表面分析；工作原理

随着纳米材料以及超精密加工技术的发展，人们对于材料表面的纳米级结构等微观现象的探索也一直在进步。近年来快速发展的一种新型扫描探针显微镜——原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是一种具有原子级别高分辨率的新型表面分析仪器，它不但能像扫描隧道显微镜（STM）那样观察导体和半导体材料的表面现象，而且能用来观察诸如玻璃、陶瓷等非导体表面的微观结构，还可以在气体、水和油中无损伤地直接观察物体，大大地拓展了显微技术在生命科学、物理、化学、材料科学和表面科学等领域中的应用，具有广阔的应用前景。

一、AFM观察表面形貌的工作原理

AFM具有原子级高分辨率（对于刚性样品，原子力显微镜通常可达到原子级分辨率，但对于柔软的生物材料，目前可达到的横向分辨率为1-50nm），能够看清材料表面原子层的局部结构，因而可用于观察材料表面缺陷、表面吸附体的形态等。

利用AFM进行表面分析的基本原理如下：AFM中有一由氮化硅片或硅片制成的对微弱力极敏感的弹性臂，微悬臂顶端有一硅或碳纳米管等材料制成的微小针尖，控制这一针尖，使其扫描待测样品的表面，这一过程是由压电陶瓷三维扫描器驱动的。当针尖与样品表面原子做相对运动时，作用在样品与针尖之间的力会使微悬臂发生一定量的形变。通过光学或电学的方法检测微悬臂的形变，转化成为图像输出，即可用于样品表面分析。简单地说，原子力显微镜是通过分析样品表面与一个微弱力敏感元件之间的相互作用力来呈现材料表面结构的。

AFM的硬件系统由力检测部分、位置检测部分和反馈控制系统三部分组成。图1所示为AFM的工作原理图，从图中可以看出，AFM就是通过集合以上三个系统来将样品的表面特性反映出来的：在AFM的工作系统中，使用由微小悬臂和针尖组成的力检测部分来感应样品与针尖间的作用力；当微悬臂受力形变时，照射在微悬臂末端的激光会发生一定程度的偏移，此偏移量反射到激光检测器的同时也会将信号传递给反馈控制系统；反馈控制系统根据接受的调节信号调节压电陶瓷三维扫描器的位置，最终通过显示系统将样品表面的形貌特征以图像的形式呈现出来。

二、AFM的工作模式

根据扫描时样品与针尖的接触形式不同，可以将AFM的工作模式分为不同的类型，常用的有以下三种：

（一）接触工作模式

扫描时如果控制针尖一直与样品表面原子或分子接触，那么这种工作模式称为接触模式。在这一过程中，针尖原子与样品表面原子之间力的作用主要表现为是两者相接触原子间的互斥力（大小约为10-8-10-11N）。接触模式下工作的原子力显微镜可得到稳定的、高分辨率的样品表面图像。但是这种工作模式也有它的不足之处：当研究易变形的样品（液体样品）、生物大分子等的时候，由于针尖与样品原子直接接触，会使样品表面的原子移动、粘附于针尖或者发生较大形变，从而造成样品损坏、污染针尖或者结果中出现假象。

图1 AFM工作原理图

图2 磁力驱动的间歇接触模式

（二）非接触工作模式

扫描时如果控制针尖一直不与样品表面的原子或分子接触，那么这种工作模式称为非接触模式。非接触工作模式下由于扫描样品时针尖始终在样品上方5-20 nm距离范围内，针尖与样品间的距离较接触模式远，所以获得的样品表面图像分辨率相对接触模式较低。但正是这一距离也克服了接触模式的不足之处，不再会造成样品的损坏、针尖污染等问题，灵敏度也提高了。

（三）间歇接触工作模式

扫描时如果控制针尖间歇性的与样品表面的原子或分子接触，那么这种工作模式称为间歇接触模式，也称为轻敲模式，常通过振动来实现针尖与样品的间歇性接触。图2所示为磁力驱动的间歇接触模式示意图，该模式下微悬臂的振动是由磁线圈产生的交流磁场直接激发的，针尖与样品表面原子作用力主要是垂直方向的，不再受横向力的影响。间歇接触工作模式集合了接触与非接触模式的优点，既减少了剪切力对样品表面的破坏，又适用于柔软的样品表面成像，因此特别适合于生物样品研究。

三、AFM在表面分析中的应用

AFM的放大倍数远远高于以往的显微镜，能达到10亿倍，从而使其具有超高的空间分辨率，能达到纳米水平，可以在气体和液体氛围中直接观察各种材料制成的样品的表面性质，正逐步成为人们研究微观科学的得力工具。

除了高分辨率的优势之外，原子力显微镜还能实现实时观察样品表面的三维结构，这种可实时观察的性能可用于分析材料表面的扩散现象等动态过程。

（一）在材料科学及化学中的应用

目前，AFM在材料科学中主要应用于材料的表面结构、表面重构现象以及表面的动态过程（例如扩散现象）等方面的研究，表面科学的中心内容是研究晶体表面的原子结构，例如从理论上推算出的金属表面结构往往不如实际复杂，借助原子力显微镜可以直观地观察材料的表面重构现象，有助于理论的进一步完善。

由于能直接在液体氛围中观察材料表面，再结合其独特的成像技术，原子力显微镜在化学研究领域也得到了广泛的应用。目前，在化学中AFM主要用于研究各种化学材料及其表面结构以及表面动态现象等方面。图3 是用AFM表征的在不同氧气分压下制备的氧化锌薄膜的表面结构，结果显示：试验得到的ZnO薄膜质量比较高，表现为其结晶度好，粒径均匀。图片显示氧化锌薄膜颗粒度随氧气分压的增加而减小，分析原因是因为氧分压的增加使得氧空位和锌间隙逐渐减少所导致。

图3 AFM表征ZnO薄膜的表面形貌

（二）在生命科学中的应用

AFM能在气体、液体中无损伤地直接观察物体，可对生物分子在近生理条件下进行检测，是生命科学研究中的有力工具。目前，在生命科学中AFM 主要应用于对细胞、病毒、核酸、蛋白质等生物大分子的三维结构和动态结构信息进行研究。例如采用原子力显微镜在液体氛围中观察菠菜的光合膜蛋白，得到的结果如图4所示，左侧图a中各蛋白质微粒大小差异较大且相互交联成片，其中最大的蛋白质微粒的粒径为299.2 nm，图b中蛋白质微粒大小均匀且比较分散，最大蛋白质微粒的粒径为17.1 nm。

利用原子力显微镜不仅可以在分子水平上对生物大分子进行成像，得到需要的结构信息，而且还可以对生物分子相互作用的过程进行动态成像，研究特定的生物化学过程，以上内容的研究对于人们揭示生命的奥秘具有十分重要的意义。

图a蛋白微粒聚集的地方 图b蛋白微粒较分散的地方

图4 菠菜PSⅡ颗粒的AFM图

四、结论

AFM以其超高的分辨率及图像表征技术在表面分析、微探测及纳米技术等方面具有独特的优势，帮助人们在材料科学、化学、生命科学等学科领域取得了诸多研究成果。随着AFM技术方法的不断发展与完善，以及不同学科领域的学者对认识的加深，AFM的应用范围必将日渐扩大，对人类科学的发展做出更大的贡献。

[1]鲁哲学，张志凌，庞代文.原子力显微镜技术及其在细胞生物学中的应用[J].科学通报，2005，50（12）.

[2]徐井华，李强.原子力显微镜的工作原理及其应用[J].通化师范学院学报，2013，34（2）.

[3]张涛.原子力显微镜在材料和生命科学中的应用研究[D].大连：大连理工大学，2008.

[4]张晶.纳米材料表面形貌和粒径的原子力显微镜研究[D].长春：吉林大学，2006.

（责任编辑 王傲冰）

Application of AFM in the Surface Analysis

WANG Ming-you，WANG Zhuo-qun，JIAO Li-jun

（Xingtai Polytechnic College, Xingtai, Hebei 054035, China）

As an important tool in the research of modern micro field, AFM is widely used in surface analysis, which has a very high resolution, is becoming the most important development surface imaging technology in recent years. The basic principle and hardware of atomic force microscope were reviewed in the paper, the present situation of surface analysis of AFM in biology, chemistry, material and other fields is emphasized.

atomic force microscopy; surface analysis; working principle

TH742

A

1008—6129（2015）01—0075—04

2014—12—10

王明友（1986—），山东安丘人，邢台职业技术学院资源与环境工程系，助教。