原子力显微镜(AFM) 应用于纳米科学中的研究进展

于凉云，张 奇，袁淑军

(盐城工学院纺织服装学院,江苏 盐城 224051)

原子力显微镜(AFM) 应用于纳米科学中的研究进展

于凉云，张 奇，袁淑军*

(盐城工学院纺织服装学院,江苏 盐城 224051)

原子力显微镜由于其操作简便，对样品要求不高，可检测绝缘样品，具有原子级的分辨率等优点，在纳米科学中的应用前景越来越广阔。本文简要介绍原子力显微镜的工作基本原理，并结合国内外最近的研究动态，重点阐述了纳米材料的外貌特征观察、力学分析、纳米材料加工等三个方面的研究进展。

原子力显微镜；原子级的分辨率；机理；纳米材料

扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscopy，SPM)以其较强的原子和纳米尺度上的分析加工能力，在纳米科学技术的发展中占据极其重要的位置。扫描探针显微镜是在扫描隧道显微镜(STM)基础上发展起来的。1982年，德国物理学家 G Binnig和H Rohrer[1]发明了具有原子级分辨率的扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，STM)，它使人类第一次能够直观地看到物质表面上的单个原子及其排列状态，并深入研究其相关的物理化学性能。因此，它对物理学、化学、材料科学、生命科学以及微电子技术等研究领域有着十分重大的意义和深远的影响[2-3]。STM的发明被公认为20世纪80年代世界十大科技成果之一。Binnig和Rohrer 因此获得了 1986 年诺贝尔物理学奖。原子力显微镜是 SPM 家族中最重要的成员之一。1986年Binnig等人[4]为了弥补STM不能对绝缘样品进行检测和操纵而发明了原子力显微镜(Atomic Force Microscopy，AFM)，AFM 由于不需要在探针与样品间形成导电回路，突破了样品导电性的限制，因此使其在科研应用领域更加广阔[5-6]。

1 AFM的工作原理

AFM 的工作原理如图1所示，分为探测系统和反馈系统两大部分。探测系统包括探针用以感受样品的表面信息、激光系统用以收集探针上的信号，反馈系统的功能是控制探针的相对高度，以保证探针能够保持一定高度从而顺利探测到样品信息。AFM 在扫描图像时，针尖与样品表面轻轻接触，而针尖尖端原子与样品表面原子间存在微弱的相互作用力，会使悬臂产生微小变化。这种微小变化被检测出并用作反馈来保持力的恒定，就可以获得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而获得样品表面形貌的图像[4]。AFM的工作模式是以针尖与样品之间作用力的形式来区分主要有接触模式[4-7]、非接触模式[8-9]、轻敲模式[10-11]三种工作模式。

图1 AFM工作原理示意图

探针针尖是AFM的核心部件(如图2)，探针针尖的几何参数、物理性能等将显著影响原子力显微镜的成像分辨率。传统AFM敲击模式微悬臂/针尖一体化的硅针尖，由于硅探针硬脆，其本身不仅容易磨损，降低探针使用寿命，而且成像过程中易损害扫描的样品，特别是检测生物等柔软样品[12]。后有研究者对硅探针进行深入研究和改进，提高其灵敏度和使用范围[13]，或使用其它材料如碳材料制备的探针等[14-15]。

图2 AFM探针结构，包括针尖(tip)、悬臂梁(cantilever)、基片(substrate)三部分

2 AFM在纳米科学中应用的研究进展

纳米科技作为当前的热点研究的科学领域，如何对这一尺度内的材料、器件的结构和性能以及科学现象进行观测表征，这关系到人们能够在多大的限度内开展纳米科技的研究，因此，纳米检测技术就变得尤为重要。AFM的应用无疑是对纳米科技的发展和进步起到必要的检测保证。本文从AFM对纳米材料的外貌特征观察、力学分析、纳米材料加工等三个方面对其进行综述。

2.1 外貌特征观察

通过检测探针与样品间的作用力可表征样品表面的三维形貌，这是AFM最基本的功能。AFM在水平方向具有0.1～0.2nm的高分辨率，在垂直方向的分辨率约为0.1nm[16-17]。由于表面的高低起伏状态能够准确地以数值的形式获取，因此AFM对表面整体图像进行分析可得到样品表面的粗糙度、颗粒度、平均梯度、孔结构和孔径分布等参数，也可对样品的形貌进行丰富的三维模拟显示，使图像更适合于人的直观视觉，因此AFM对纳米材料或是微纳米电极的外貌特征的表征有着广泛的应用。邵丽等人[18]应用AFM对胞外多糖S2在水溶液中的表观形貌进行观察。结果表明：不同质量浓度的胞外多糖S2经AFM成像，得到了不同形貌多糖分子聚集行为的图像。随着胞外多糖S2质量浓度的降低，多糖分子之间的作用力减弱，外貌发生从膜状、岛屿状、网格状到单链/双链结构的变化。Sangmin等人[19]通过移液管制备5nm的Au纳米粒子、纳米线和聚二甲基硅氧烷(PDMS)沉积到基板纳米/微孔材料，并应用AFM对石英音叉(QTF)传感器进行了表面表征。Li等人[20]应用AFM对制备的二氧化硅、金、石墨烯等包覆石墨烯的纳米材料进行了外貌表征和结合能检测。Mo等人[21]应用AFM对通过自组装技术使不同的纳米材料修饰硅表面进行动力学和外貌的表征。Umeda等人[22]应用AFM对制备的Pt纳米颗粒沉积修饰玻碳电极进行了外貌表征，成功地实现了直径为30～60 nm的Pt纳米颗粒在任意间距的沉积。

图3 纳米传感器表面的AFM图[19]

图4 SO2包覆石墨烯的尖端的AFM图[20]

2.2 力学分析

研究材料的微观作用力是对于了解它们的结构和性能具有重要意义。L利用AFM能获得探针针尖与样品间力距的关系曲线，几乎包含了所有样品和针尖之间相互作用的必要信息，利用力曲线分析技术就能给出特定分子或基团与纳米材料表面的黏附力值等物理性质。张慧等人[23]研究报道用原子力显微镜采用Pead Force Tapping模式对高分子材料进行力学性能表征时，选择不同弹性系数的探针对测试结果的影响关系。Rakshit等人[24]在单分子水平上利用AFM拉伸带电多糖分子得到力-距离关系曲线，表明存在阶梯状构象改变，早期力值为60～73pN，并且受到pH值和离子的影响。Krishnat等人[25]报道了利用三维轻敲模式原子力显微镜迅速(10毫秒)、精确(σ≤17pN)地测量玻璃基板三维作用力分量。通过直接探测交互组件的Fx、Fy和Fz动力学模型，从而为提供一个更完整、多个条件的三维原子力显微镜操作视图的基础。Walczyk等人[26]报道AFM轻敲模式考察了氩表面纳米气泡和针尖之间的相互作用，研究了具有亲水性和疏水性的针尖位置的纳米气泡函数。研究表面纳米气泡的分布更接近于一个几乎平坦的气泡形状，拉普拉斯压力非常接近大气压力。Lee[27]报道了用AFM分别对卷曲状和双夹层型的碳纳米管的力学性能进行了研究。

图6 三维悬臂弹性常数的测定[25]

(a)亲水端(kcant = 0.1 N/M)；(b)疏水端(kcant = 0.7 N/M)[26]

2.3 纳米材料加工

扫描探针纳米加工技术的基本原理是利用探针-样品纳米可控定位和运动及其相互作用对样品进行纳米加工操纵，从而可以对纳米生物材料进行纳米级操纵加工，制备得到科学家所预设的样品。常用的基于AFM的纳米加工技术包括机械操纵和蘸笔纳米刻蚀技术等，通过对AFM进行升级从而实现对纳米材料的操纵加工功能。Chen等人[28]应用AFM对Si{111}晶面进行分析，比较分析了硅纳米线在不同的刻蚀的速率、电压等方面对刻蚀效果的影响。Yan等人[29]开发出了与AFM联用的闭环纳米尺度精确控制台，从而能够根据预先的设计加工制备得到可控和可重复的纳米结构图像。Zhang等人[30]通过AFM纳米操纵消除纳米线上的缺陷，实现了纳米线在指定位置和方向上的延展，他们应用此方法制备得到了精确的“NANO”图案。Abdellaoui等人[31]研究了n型GaAs纳米晶体的电化学蚀刻，利用AFM分析研究不同酸蚀时间得到的多孔层，控制制备工艺得到薄膜的结构与晶粒尺寸接近7 nm的纳米晶体。Lee等人[32]运用刻蚀技术制作石墨烯平面晶体管。Alexei等人[33]基于AFM的纳米光刻技术在硬质材料如硅表面制备槽阵列30～100 nm间距和深度5～32 nm的应用。

图8 硅纳米刻蚀线分别在6V(a)、8V(b)、10V(c)电压下Si{111}AFM图像

图9 数码照片(a) 和对应的AFM技术加工得到的人脸纳米结构(b)[29]

图10 轻敲模式制备的“NANO”AFM图[30]

(a)30 nm间距阵列(ΔH = 70 nm)；(b)100 nm间距阵列(ΔH = 200 nm)；(c)100 nm间距阵列(ΔH = 200 nm)[33]

除以上所述，AFM在其它方面如结构分析[34-35]、晶体分析[36-38]、生物医学[39-40]等都有广泛的应用和发展。

3 结语

综上所述，AFM由于操作简单，对样品要求不高，高分辨率，可检测样品的范围广等优点，使其具有越来越广阔的应用前景。利用AFM可以很好的研究纳米材料的外貌特征观察、力学分析、纳米材料加工等方面的特性。随着计算科学技术的进步， AFM将在纳米材料领域的研究中发挥更大的作用。

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(本文文献格式：于凉云，张 奇，袁淑军.原子力显微镜(AFM) 应用于纳米科学中的研究进展[J].山东化工，2016，45(24)：39-43.)

A Review of Atomic force Microscopy Applied in Nanoscience

Yu Liangyun, Zhang Qi, Yuan Shujun*

(School of Textiles and Clothing, Yancheng Institute of Technology, Yancheng 224051, China)

Atomic force microscopy (AFM) has been more and more widely used in nanoscience owing to its simple operation, not strict requirements of the samples, the ability to detect insulating samples, and atomic resolution. This paper briefly introduced the ultimate principle of AFM, and put emphasis on the research progress of three aspects including the observation of the appearance features of nano- materials, the mechanical analysis, and the nano-materials processing.

AFM; atomic resolution; principle; nano-materials

2016-11-04

盐城2016年度农业科技创新专项引导资金项目

于凉云(1979—)，女，浙江浦江人，讲师，硕士，主要从事材料科学、分析化学研究；通讯作者：袁淑军(1964—)，江苏盐城人，教授，博士，主要从事功能材料研究。

TB301

A

1008-021X(2016)24-0039-05