原子力顯微鏡應用於奈米科學中的進展論文

　　掃描探針顯微鏡( Scanning Probe Microscopy，SPM) 以其較強的原子和奈米尺度上的分析加工能力，在奈米科學技術的發展中佔據極其重要的位置。掃描探針顯微鏡是在掃描隧道顯微鏡( STM) 基礎上發展起來的。1982 年，德國物理學家GBinnig 和H Rohrer發明了具有原子級解析度的掃描隧道顯微鏡( Scanning Tunneling Microscope，STM) ，它使人類第一次能夠直觀地看到物質表面上的單個原子及其排列狀態，並深入研究其相關的物理化學效能。因此，它對物理學、化學、材料科學、生命科學以及微電子技術等研究領域有著十分重大的意義和深遠的影響。STM 的發明被公認為20 世紀80 年代世界十大科技成果之一。Binnig 和Rohrer 因此獲得了1986 年諾貝爾物理學獎。原子力顯微鏡是SPM 家族中最重要的成員之一。1986 年Binnig 等人[4]為了彌補STM 不能對絕緣樣品進行檢測和操縱而發明了原子力顯微鏡( Atomic Force Microscopy，AFM) ，AFM 由於不需要在探針與樣品間形成導電迴路，突破了樣品導電性的限制，因此使其在科研應用領域更加廣闊。

　　1 AFM 的工作原理

　　AFM 的工作原理分為探測系統和反饋系統兩大部分。探測系統包括探針用以感受樣品的表面資訊、鐳射系統用以收集探針上的訊號，反饋系統的功能是控制探針的相對高度，以保證探針能夠保持一定高度從而順利探測到樣品資訊。AFM 在掃描影象時，針尖與樣品表面輕輕接觸，而針尖尖端原子與樣品表面原子間存在微弱的相互作用力，會使懸臂產生微小變化。這種微小變化被檢測出並用作反饋來保持力的恆定，就可以獲得微懸臂對應於掃描各點的位置變化，從而獲得樣品表面形貌的影象。AFM 的工作模式是以針尖與樣品之間作用力的形式來區分主要有接觸模式、非接觸模式、輕敲模式三種工作模式。探針針尖是AFM 的核心部件( 如圖2) ，探針針尖的幾何引數、物理效能等將顯著影響原子力顯微鏡的成像解析度。傳統AFM 敲擊模式微懸臂/針尖一體化的矽針尖，由於矽探針硬脆，其本身不僅容易磨損，降低探針使用壽命，而且成像過程中易損害掃描的樣品，特別是檢測生物等柔軟樣品。後有研究者對矽探針進行深入研究和改進，提高其靈敏度和使用範圍，或使用其它材料如碳材料製備的探針等。AFM 在奈米科學中應用的研究進展奈米科技作為當前的熱點研究的科學領域，如何對這一尺度內的材料、器件的結構和效能以及科學現象進行觀測表徵，這關係到人們能夠在多大的限度內開展奈米科技的研究，因此，奈米檢測技術就變得尤為重要。AFM 的應用無疑是對奈米科技的發展和進步起到必要的檢測保證。本文從AFM 對奈米材料的外貌特徵觀察、力學分析、奈米材料加工等三個方面對其進行綜述。

　　2. 1 外貌特徵觀察

　　透過檢測探針與樣品間的作用力可表徵樣品表面的三維形貌，這是AFM 最基本的功能。AFM 在水平方向具有0. 1 ～ 0.2nm 的`高解析度，在垂直方向的解析度約為0. 1nm。由於表面的高低起伏狀態能夠準確地以數值的形式獲取，因此AFM對錶面整體影象進行分析可得到樣品表面的粗糙度、顆粒度、平均梯度、孔結構和孔徑分佈等引數，也可對樣品的形貌進行豐富的三維模擬顯示，使影象更適合於人的直觀視覺，因此AFM 對奈米材料或是微奈米電極的外貌特徵的表徵有著廣泛的應用。邵麗等人應用AFM 對胞外多糖S2 在水溶液中的表觀形貌進行觀察。結果表明: 不同質量濃度的胞外多糖S2經AFM 成像，得到了不同形貌多糖分子聚集行為的影象。隨外貌發生從膜狀、島嶼狀、網格狀到單鏈/雙鏈結構的變化。Sangmin 等人透過移液管制備5nm 的Au 奈米粒子、奈米線和聚二甲基矽氧烷( PDMS) 沉積到基板奈米/微孔材料，並應用AFM 對石英音叉( QTF) 感測器進行了表面表徵。Li 等人應用AFM 對製備的二氧化矽、金、石墨烯等包覆石墨烯的奈米材料進行了外貌表徵和結合能檢測。Mo 等人應用AFM 對透過自組裝技術使不同的奈米材料修飾矽表面進行動力學和外貌的表徵。Umeda 等人應用AFM 對製備的Pt 奈米顆粒沉積修飾玻碳電極進行了外貌表徵，成功地實現了直徑為30 ～ 60nm 的Pt 奈米顆粒在任意間距的沉積。

　　2. 2 力學分析

　　研究材料的微觀作用力是對於瞭解它們的結構和效能具有重要意義。L 利用AFM 能獲得探針針尖與樣品間力距的關係曲線，幾乎包含了所有樣品和針尖之間相互作用的必要資訊，利用力曲線分析技術就能給出特定分子或基團與奈米材料表面的黏附力值等物理性質。張慧等人研究報道用原子力顯微鏡採用Pead Force Tapping 模式對高分子材料進行力學效能表徵時，選擇不同彈性係數的探針對測試結果的影響關係。Rakshit 等人在單分子水平上利用AFM 拉伸帶電多糖分子得到力- 距離關係曲線，表明存在階梯狀構象改變，早期力值為60 ～ 73pN，並且受到pH 值和離子的影響。Krishnat 等人報道了利用三維輕敲模式原子力顯微鏡迅速( 10 毫秒) 、精確( σ≤17pN) 地測量玻璃基板三維作用力分量。透過直接探測互動元件的Fx、Fy 和Fz 動力學模型，從而為提供一個更完整、多個條件的三維原子力顯微鏡操作檢視的基礎。Walczyk 等人報道AFM 輕敲模式考察了氬表面奈米氣泡和針尖之間的相互作用，研究了具有親水性和疏水性的針尖位置的奈米氣泡函式。研究表面奈米氣泡的分佈更接近於一個幾乎平坦的氣泡形狀，拉普拉斯壓力非常接近大氣壓力。Lee報道了用AFM分別對捲曲狀和雙夾層型的碳奈米管的力學效能進行了研究。

　　2. 3 奈米材料加工

　　掃描探針奈米加工技術的基本原理是利用探針- 樣品奈米可控定位和運動及其相互作用對樣品進行奈米加工操縱，從而可以對奈米生物材料進行奈米級操縱加工，製備得到科學家所預設的樣品。常用的基於AFM 的奈米加工技術包括機械操縱和蘸筆奈米刻蝕技術等，透過對AFM 進行升級從而實現對奈米材料的操縱加工功能。Chen 等人應用AFM 對Si{ 111}晶面進行分析，比較分析了矽奈米線在不同的刻蝕的速率、電壓等方面對刻蝕效果的影響。Yan 等人開發出了與AFM 聯用的閉環奈米尺度精確控制檯，從而能夠根據預先的設計加工製備得到可控和可重複的奈米結構影象。Zhang 等人透過AFM 奈米操縱消除奈米線上的缺陷，實現了納米線在指定位置和方向上的延展，他們應用此方法制備得到了精確的“NANO”圖案。Abdellaoui 等人研究了n 型GaAs 奈米晶體的電化學蝕刻，利用AFM 分析研究不同酸蝕時間得到的多孔層，控制製備工藝得到薄膜的結構與晶粒尺寸接近7 nm 的奈米晶體。Lee等人運用刻蝕技術製作石墨烯平面電晶體。Alexei 等人基於AFM 的奈米光刻技術在硬質材料如矽表面製備槽陣列30～ 100 nm 間距和深度5 ～ 32 nm 的應用。

　　除以上所述，AFM 在其它方面如結構分析、晶體分析、生物醫學等都有廣泛的應用和發展。

　　3 結語

　　綜上所述，AFM 由於操作簡單，對樣品要求不高，高解析度，可檢測樣品的範圍廣等優點，使其具有越來越廣闊的應用前景。利用AFM 可以很好的研究奈米材料的外貌特徵觀察、力學分析、奈米材料加工等方面的特性。隨著計算科學技術的進步，AFM 將在奈米材料領域的研究中發揮更大的作用。