一、原子力显微镜简介

原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM），一种可用来研究包括导体、半导体和绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它的横向分辨率可达0.15m，而纵向分辨率可达0.05m，AFM最大的特点是可以测量表面原子之间的力，AFM可测量的最小力的量级为10-14 -10-16 N。AFM还可以测量表面的弹性，塑性、硬度、黏着力等性质 ，AFM还可以在真空，大气或溶液下工作，也具有仪器结构简单的特点，在材料研究中获得了广泛的研究。

它与其他显微镜相比有明显不同，它用一个微小的探针来”摸索”微观世界，AFM超越了光和电子波长对显微镜分辨率的限制，在立体三维上观察物质的形貌，并能获得探与样品相互作用的信息，典型AFM的侧向分辨率（x，y）可达到2nm，垂直分辩牢（方间）小于0。1mmAFM具有操作客易、样品准备简单、操作环境不受限制、分辨率高等优点。

二、原子力显微镜的基本原理

AFM中为检测出表面力而精细加工的感知杠杆使用了一端支撑的微小弹簧板。在感知杠杆的尖端有半径几十纳米、非常尖的小探针，感知杠杆从试件表面受到探针的作用力变形。感知杠杆的弹性系数K一般为已知，通过用隧道电流或激光束偏移，来检测感知杠杆在Z方向上的微小位移△Z，可知作用在探针一表面之的局力（F=K△Z）。一边测定该力，一边对试样进行机械的二维扫描，就能得到试样表面力的二维像。为保持力的信号稳定，一边控制试样Z方向的位置，一边扫描试样，记录各点的移动量，就可以得到三维的精细形貌像。

当探针尖和试件表面的距离缩小到纳米数量级时，探针尖端原子和试件表面原子间的相互作用力就显示出来，由于原子间距离缩小产生相互作用，造成原子间的高度势垒降低，使系统的总能量降低，于是二者之间产生吸引力（范德华力），如果两原子间距离继续减小接近到原子直径量级时，由于两原子间的电子云的不相容性，两原子间的相互作用为排斥力（库仑力），原子力显微镜就是通过检测探针尖和试件表面原子间的相互作用力而进行测量的。

针尖和样品之间的作用力与距离有强烈的依赖关系，所以在扫描过程中利用反馈回路保持针尖和样品之间的作用力恒定，即保持微悬臂的形变量不变，针尖就会随表面的起伏上下移动，记录针尖上下运动的轨迹即可得到表面形貌的信息。这种检测方法被称为”恒力”模式，是使用最广泛的扫描方式。

AFM图像也可以使用“恒高”模式获得，也就是在x、y扫描过程中 ，不使用反馈回路，保持针尖与样品之间的距离恒定，检测器直接测量微悬臂z方向的形变量来成像。这种方法由于不使用反馈回路，可以采用更高的扫描速度，通常在观察原子、分子像时使用得比较多，而对于表面起伏较大的样品不适合。

三、原子力显微镜结构

AFM主要由为反馈光路提供光源的激光系统、进行力-距离反馈的微悬臂系统、执行光栅扫描和Z轴定位的压电扫描器、接收光反馈信号的光电探测器 Detector）、反馈电子线路、粗略定位系统、防震防噪声系统、计算机控制系统与数据处理软件、样品探测环境控制系（控、温控、气环境控制等）、监控激光悬臂样品相对位置的显微及CCD像系统等构成。其仪器的核心部件见下图。

1.激光器单元

激光器是光反馈通路的信号源。由于悬臂尖端的空间有限性，就对照射器上的光束宽度提出了一定要求：足够细、单色性好、发散程度弱；同时也要求光源的稳定性高，可持续运行时间久，工作寿命长。而激光正是能够很好地满足上述条件的光源

2.微悬臂单元

微悬臂是探测样品的直接工具，它的属性直接关系到仪器的精度和使用范围。微悬臂必须有足够高的力反应能力，这就要求悬臂必须容易弯曲，也易于复位，具有合适的弹性系数，使得零点几个纳牛（N甚至更小的力的变化都可以被探测到；同时也要求悬臂有足够高的时间分裤能力，因而要求思悬臂的共振频率应该足够高，可以追随表面高低起伏的变化，根据上述两个要求，微悬臂的尺寸必在微米的范围，而位于微悬臂末端的探针则在10m左石，而其上针尖的曲率半径约为30m，悬臂的固有频率则必须高于10kHz，通常使用的微悬臂材料是SiN，其弹性系放k=3EI/L=9。57mf，其中E，I分别为杨氏模量、转动惯量，L，m，f分别是微悬臂的长度、质量和共振频率。微悬臂的劲度常数一般为4×10-2。0N/m。

3.压电扫描单元

要探测样品表面的精细结构，除了高性能的微悬臂以外，压电扫描器（压电换能器）的精确扫描和灵敏反应也是同样重要的，压电换能器是能将机械作用和电讯号互相转换的物理器件。它不仅能够使样品在XY扫描平面内精确地移动，也能灵敏地感受样品与探针间的作用，同时亦能将反馈光路的电讯号转换成机械位移，进而灵敏地控制样品和探针间的距离（力），并记录因扫描位置的改变而引起的Z向伸缩量△h（x，y）。这样，压电扫描器就对样品实现了表面扫描。常见扫描器的最小分辨率为0.1nm×0.1nm×0.01nm。

4.光电检测与反馈单元

日前AFM探测悬臂微形变的主要方法是光束偏转法：用一束激光照在微悬臂的尖端，而用位置灵敏光检测器（PSPD）来接收悬臂尖端的反射激光束，并输出反映反射光位置的信号因。由于悬臂的形变会引起反射光束的偏移，导致反射光在PSPD上位置的变化，进而产生反应悬臂的形变的电讯号，以供调节压电扫描器的伸缩控制。
作为AFM的核心部件，它们是不可或缺的，要得到满意的试验图像，总是要求各个部件的工作状态都达到最佳，因此，AFM中最关键的技术就是高性能激光器的设计，对微弱力作用极其敏感的微的设计，为获得高分所率的非常尖细针尖的制备、精确打描定位的压电换能器和光电检测技术的研究。

四、原子力显微镜的分类

AFM探针基本都是由MEMS技术加工 Si 或者 Si3N4来制备。探针针尖半径一般为10到几十nm。微悬臂通常由一个一般100~500μm长和大约500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制成。典型的硅微悬臂大约100μm长、10μm宽、数微米厚。

利用探针与样品之间各种不同的相互作用的力而开发了各种不同应用领域的显微镜，如AFM（范德法力），静电力显微镜EFM（静电力）磁力显微镜MFM（静磁力）侧向力显微镜LFM（探针侧向偏转力）等， 因此有对应不同种类显微镜的相应探针。

原子力显微镜的探针主要有以下几种：

1.非接触/轻敲模式针尖以及接触模式探针：最常用的产品，分辨率高，使用寿命一般。使用过程中探针不断磨损，分辨率很容易下降。主要应用与表面形貌观察。

2.导电探针：通过对普通探针镀10-50纳米厚的Pt（以及别的提高镀层结合力的金属，如Cr，Ti，Pt和Ir等）得到。导电探针应用于EFM，KFM，SCM等。导电探针分辨率比tapping和contact模式的探针差，使用时导电镀层容易脱落，导电性难以长期保持。导电针尖的新产品有碳纳米管针尖，金刚石镀层针尖，全金刚石针尖，全金属丝针尖，这些新技术克服了普通导电针尖的短寿命和分辨率不高的缺点。

3.磁性探针：应用于MFM，通过在普通tapping和contact模式的探针上镀Co、Fe等铁磁性层制备，分辨率比普通探针差，使用时导电镀层容易脱落。

4.大长径比探针：大长径比针尖是专为测量深的沟槽以及近似铅垂的侧面而设计生产的。特点：不太常用的产品，分辨率很高，使用寿命一般。技术参数：针尖高度> 9μm；长径比5：1；针尖半径< 10 nm。

5.类金刚石碳AFM探针/全金刚石探针：一种是在硅探针的针尖部分上加一层类金刚石碳膜，另外一种是全金刚石材料制备（价格很高）。这两种金刚石碳探针具有很大的耐久性，减少了针尖的磨损从而增加了使用寿命。

还有生物探针（分子功能化），力调制探针，压痕仪探针。

五、原子力显微镜样品的要求及制备

（一）样品要求

原子力显微镜研究对象可以是有机固体、聚合物以及生物大分子等，样品的载体选择范围很大，包括云母片、玻璃片、石墨、抛光硅片、二氧化硅和某些生物膜等，其中最常用的是新剥离的云母片，主要原因是其非常平整且容易处理。而抛光硅片最好要用浓硫酸与30%双氧水的7∶3 混合液在90 ℃下煮1h。利用电性能测试时需要导电性能良好的载体，如石墨或镀有金属的基片。

试样的厚度，包括试样台的厚度，最大为10 mm。如果试样过重，有时会影响Scanner的动作，请不要放过重的试样。试样的大小以不大于试样台的大小（直径20 mm）为大致的标准。稍微大一点也没问题。但是，最大值约为40 mm。如果未固定好就进行测量可能产生移位。请固定好后再测定。

（二）样品的制备

与透射电镜、扫描电镜、X射线衍射等技术相比，AFM制样简单，制作过程对样品原始形态的影响小。

1.粉末样品的制备：粉末样品的制备常用的是胶纸法，先把两面胶纸粘贴在样品座上，然后把粉末撒到胶纸上，吹去为粘贴在胶纸上的多余粉末即可。

2.块状样品的制备：玻璃、陶瓷及晶体等固体样品需要抛光，注意固体样品表面的粗糙度。

3.液体样品的制备：液体样品的浓度不能太高，否则粒子团聚会损伤针尖。在空气或真空环境污染中成像时，可以将样品直接滴加到成像载体上，吸附一定时间后用滤纸吸干、自然晾干或氮气吹干的方法去掉多余的水分，然后进行扫描成像。在液体中测定时，为了避免样品的漂移，在制样方面多加注意，选择合适的固定方法以得到理想的实验结果。（纳米颗粒：纳米粉末分散到溶剂中，越稀越好，然后涂于云母片或硅片上，手动滴涂或用旋涂机旋涂均可，并自然晾干）

六、原子力显微镜的优缺点

1.优点

原子力显微镜观察到的图像相对于扫描电子显微镜，原子力显微镜具有许多优点。不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM提供真正的三维表面图。同时，AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。第三，电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织。

2.缺点

和扫描电子显微镜（SEM）相比，AFM的缺点在于成像范围太小，速度慢，受探头的影响太大。原子力显微镜（Atomic Force Microscope）是继扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope）之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器，可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵；现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研究和科研院所各种纳米相关学科的研究实验等领域中，成为纳米科学研究的基本工具。原子力显微镜与扫描隧道显微镜相比，由于能观测非导电样品，因此具有更为广泛的适用性。当前在科学研究和工业界广泛使用的扫描力显微镜（Scanning Force Microscope），其基础就是原子力显微镜。

七、原子力显微镜的应用

AFM以其操作方便，对样品处理要求不高，原子级分率低，样本可在空气中成者液体中直接观察，可检测的样品范围广等优点，赢得了越越广阔的应用，利用AFM可以观察生物制品的形态结构、检测生物力、观察品体的三结构及插体的生长等，这势必会进一步推动生命科学，材料科学的一步发展。

（一）生命科学中的应用

1.用于形态结构的观察

由于AFM具有光学显微镜所不具备的高分辨率，同时又不需扫描电子显微镜的严格制样要求。AFM已广泛地应用于细胞、蛋白质、核酸等生物形态结构的研究。
目前，生物学家们已经利用AFM研究活细胞或固定的细胞，如红细胞、白细胞等，获得了丰富的信息。对于单个细胞而言，AFM不但能够提供长度、宽度、高度等形态方面的信息，而且可以满足人们对膜上的离子通道、丝状伪足、细胞间连接等细微结构研究的要求，甚至还可清楚地观察到膜本身的骨架结枃。这些对于进步研究细胞表面及表面以下结构相互作用很有启发性。

AFM还可以观察蛋白质的细微结构，测算复合物中蛋白质的大小，最早用AFM研究的膜蛋白是 halo bacterium halobim的紫膜上的视紫红蛋白，得到视紫红蛋白在膜上呈二维的六角形排列。AFM还比较成功地观察了肌动蛋白、血纤维蛋白原，胶元蛋白，免应球蛋白等游离蛋白质分子，随着深针技术的不断改进，观测到了肌动蛋白分子的螺旋构造，通过AFM对肌动蛋白聚合、解聚、破裂、弹性系数变化等过程的观察，进步证实肌动蛋白的网络结构对于活细胞的稳定性起决定作用。

2.用于动态过程的研究

AFM可以在生理状态下观察任何活的生命样品和动态过程，主要有生物大分子之间的生化反应过程、病毒对细胞的感染过程、蛋白质的结晶析出等等，已被广泛地应用到生物样品中。

观察生物大分子之间的生化反应过程，对于研究生物的结构与功能有很大的帮助，有很多实验动态观察了DNA复制、转录和蛋白质的翻译过程，有些实验则观察DNA、RNA与酶结合过程，使人们对这些生化反应有了更进一步的了解，此外，AFM可以清晰地看到RNA聚合酶在DMA模板中运动，这种技术用于更大的分子，将会提高特异治疗药物插人的几率，那样很多疑难疾病的治疗就成为可能。

病毒对细胞的感染是一个很典型的例子，应用AFM已观察了痘节病毒感染单个细胞的过程。将痘苗病毒加人培养液后，细胞变得光采软，在这种状态下病毒易于穿过细跑膜。

蛋白质从溶液中结品析出也是一个分值得关注的领域，人们采用AFM研究溶菌蛋白、刀豆蛋白、TEuvEaLit和过氧化氢测得的情况，这些研究有助于人们更加深入地理解蛋白质晶体的生长动力学和成核机理。

3.用于各种生物力学的研究

将很高的空间分辨率与敏感且准确的力学感应性相结合，是AFM的一个极为显著的特点。通过将探针连接在弹性系数很小的悬臂上，AFM对力的测量敏感性可达到ｐＮ水平。AFM已经广泛用于测量生物分子间的相互作用，如核酸与蛋白质的相互作用、酶与底物的相互作用、抗原与抗体间的相互作用、受体与授体间的相互作用以及药物小分子和靶向中心的相互作用等。AFM力谱技术发展也比较快。

利用AFM单分子力谱技术系统研究人工和天然短链DNA分子的开链行为，表明该技术可以分辨10个碱基对的特定相互作用力的变化情形，利用此技术已检测到单碱基突变引起的不同作用力，为定量表征和解释DA单个序列提供了非常有价值的热力学模型。

利用AFM可对扫描各点的高度及作用力进行测量，这样不仅可以获取生物样品的表面形态和三维结构，还可以得到其表面硬度、粘弹性、摩擦力等力学特性的表面图谱。AFM在扫描样品时，探针尖端作用于样品，使样品产生可测量的凹陷，当应力与应变力呈线性关系时，样品发生的变形属弹性变化，撤消力时样品可恢复原有形态，利用凹陷的深度数据，就能够获取有关样品局部的弹性信息，利用AFM已测量了支气管上皮和肺泡上皮细胞在不同负荷力和作用频率下的复剪切弹性系数，观察了其变化规律。

4.用于生物样品的纳米操纵

目前原子，分子的纳米操纵已进人到生物大分子层次。对生物大分子的纳米操纵，不仅可以获得生物大分子特性的新信息和新的生物学方法，也为生物大分子的应用展示了更为广阔的前景。与标准显微切割技术相比，AFM对目标区域切割、提取等操作具有更准确的特点。1992年人类首次使用AFM对生物分子进行可控性纳米操纵，随后它在生物膜的切割、待研究分子的分离等方面也得到广泛应用，到日前为止，我国科学家已实现了对DA分子的人工拉直操纵，可以把DNA排布成纳米尺度的维网格，在此基础上，利用改进的“分子梳”方法，首次实现了复杂的体系――一种线性噬菌体病毒的人工拉直与定向，这种操纵是在大面积平整的固体表面实现的，并利用原子力显微，对拉直前后的形毒进行了观察与测量。

（二）在材料科学中的应用

1.三维形貌观测

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0.102m的高分辨率，在垂直方向的分辨率约为0.01m，尽管AM和扫描电子显微镜（SEM）的横向分辨率是相似的，但AFM和SEM两种技术的最基本的区别在于处理试样深度变化时有不同的表征。由于表面的高低起伏状态能够准确地以数值的形式获取，AHM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。

2.纳米材料与粉体材料的分析

当今时代，纳米材料是材料领域关注的重要课题，而纳米科学的不断成长和发展是与以扫描探针显微镜（SPM）为代表的多种纳米尺度的研究手段的产生和发展密不可分的。可以说，SPM的相继问世对纳米科技的诞生与发展起了根本性的推动作用，而纳米科技的发展又为SPM的应用提供了广阔的天地，SPM是一个包括扫描隧道显微术（SM）、原子力显微术（AFM）等在内的多种显微技术的大家族。SPM不仅能够以纳米级甚至是原子级空间分辨率在真空、大气或液体中来观测物质表面原子或分子的几何分布和态密度分布，确定物体局域光、电、磁、热和机械特性，而且其有广泛的应用性，如刻划纳米级微细线条、甚至实现原子和分子的操纵。这一集观察、分析及操作原子分子等功能于一体的技术已成为纳米科学研究中的主要工具。

3.成分分析

AFM不能进行元素分析，但它在 Phase Image模式下可以根据材料的某些物理性能的不同来提供成分的信息。

4.晶体生长方面的应用

原子力显微镜为我们提供了一个原子级观测研究晶体生长界面过程的全新有效工具。利用它的高分辨率和可以在溶液和大气环境下工作的能力，为我们精确地实时观察生长界面的原子级分辨图像、了解界面生长过程和机理创造了难得的机遇。

近几年，国外学者已经开始利用原子力显微镜进行晶体生长机理的研究，特别是研究生长界面的动态过程，这些研究已经对传统的品体生长理论和模型带来了冲击和挑战，在此基础上，晶体生长理论可望有新的突破，这方面的工作不仅有利于晶体生长理论本身的发展，而且有利于指导晶体生产实践，具有重要的理论和实际意义。

5.在薄膜技术中的应用

随着膜技术的蓬勃发展，人们力图通过控制膜的表面形态结构，改进制膜的方法，进而提高膜的性能。1988年，当AFM发明以后，A1brecht等人首次将其应用于聚合物膜表面形态的观测之中，为膜表面形态的研究开启了一扇新的大门。

AFM在膜技术中的应用相当广泛，它可以在大气环境下和水溶液环境中研究膜的表面形态，精确测定其孔径及孔径分布，还可在电解质溶液中测定膜表面的电荷性质，定量测定膜表面与胶体颗粒之间的相互作用力，无论在对哪个参数的测定中，AＦM都显示了其他方法所没有的优点，因此，其应用范围迅速增长，已经迅速变成膜科学技术中发展和研究的基本手段。

AFM在膜技术中的应用与研究主要包括以下几个方面：a.膜表面结构的观察与测定，包括孔结构、孔尺寸、孔径分布；b.膜表面形态的观察，确定其表面粗糙度；c.膜表面污染时的变化，以及污染颗粒与膜表面之间的相互作用力，确定其污染程度；d.膜制备过程中相分离机理与不同形态膜表面的之间的关系。

（三）原子力显微镜应用拓展

除了常见的成像模式外，原子力显微镜还可以进行下面的工作：

1.横向力显微镜（LFM）

横向力显微镜（LFM）是在原子力显微镜（AFM）表面形貌成像基础上发展的新技术之一。工作原理与接触模式的原子力显微镜相似。当微悬臂在样品上方扫描时，由于针尖与样品表面的相互作用，导致悬臂摆动，其摆动的方向大致有两个：垂直与水平方向。一般来说，激光位置探测器所探测到的垂直方向的变化，反映的是样品表面的形态，而在水平方向上所探测到的信号的变化，由于物质表面材料特性的不同，其摩擦系数也不同，所以在扫描的过程中，导致微悬臂左右扭曲的程度也不同，检测器根据激光束在四个象限中，（A C）-（B D）这个强度差值来检测微悬臂的扭转弯曲程度。而微悬臂的扭转弯曲程度随表面摩擦特性变化而增减（增加摩擦力导致更大的扭转）。激光检测器的四个象限可以实时分别测量并记录形貌和横向力数据。

2.曲线测量

SFM除了形貌测量之外，还能测量力对探针-样品间距离的关系曲线Zt（Zs）。它几乎包含了所有关于样品和针尖间相互作用的必要信息。当微悬臂固定端被垂直接近，然后离开样品表面时，微悬臂和样品间产生了相对移动。而在这个过程中微悬臂自由端的探针也在接近、甚至压入样品表面，然后脱离，此时原子力显微镜（AFM）测量并记录了探针所感受的力，从而得到力曲线。Zs是样品的移动，Zt是微悬臂的移动。这两个移动近似于垂直于样品表面。用悬臂弹性系数c乘以Zt，可以得到力F=c·Zt。如果忽略样品和针尖弹性变形，可以通过s=Zt-Zs给出针尖和样品间相互作用距离s。这样能从Zt（Zs）曲线决定出力-距离关系F（s）。这个技术可以用来测量探针尖和样品表面间的排斥力或长程吸引力，揭示定域的化学和机械性质，像粘附力和弹力，甚至吸附分子层的厚度。如果将探针用特定分子或基团修饰，利用力曲线分析技术就能够给出特异结合分子间的力或键的强度，其中也包括特定分子间的胶体力以及疏水力、长程引力等。

3.纳米加工

扫描探针纳米加工技术是纳米科技的核心技术之一，其基本的原理是利用SPM的探针－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，常用的纳米加工技术包括：机械刻蚀、电致/场致刻蚀、浸润笔（Dip-Pen Nano-lithography，DNP）等。

九、原子力显微镜的工作环境

原子力显微镜受工作环境限制较少，它可以在超高真空、气相、液相和电化学的环境下操作。

1.真空环境：最早的扫描隧道显微镜（STA）研究是在超高真空下进行操作的。后来，随着AFM的出现，人们开始使用真空AFM研究固体表面。真空AFM避免了大气中杂质和水膜的干扰，但其操作较复杂。

2.气相环境：在气相环境中，AFM操作比较容易，它是广泛采用的一种工作环境。因AFM操作不受样品导电性的限制，它可在空气中研究任何固体表面，气相环境中AFM多受样品表面水膜干扰。

3.液相环境：在液相环境中。AFM是把探针和样品放在液池中工作，它可以在液相中研究样品的形貌。液相中AFM消除了针尖和样品之间的毛细现象，因此减少了针尖对样品的总作用力，液相AFM的应用十分广阔，它包括生物体系、腐蚀或任一液固界面的研究。

4.电化学环境：正如超高真空系统一样，电化学系统为AFM提供了另一种控制环境，电化学AFM是在原有AFM基础上添加了电解双恒电位仪和相应的应用软件，电化学AFM可以现场研究电极的性质，包括化学和电化学过程诱导的吸附、腐蚀以及有机和物分子在电极表面的沉积和形态变化等。