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1、原子力显微镜 光学显微镜光学显微镜19世纪末世纪末 透射电子显微镜透射电子显微镜1938年年 扫描电子显微镜扫描电子显微镜1952年年 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜1983年年 原子力显微镜原子力显微镜1985年年 扫描探针显微镜扫描探针显微镜Bruker 原子力显微镜（原子力显微镜（Dimension Icon AFM） AFM是在是在STM的基础上发展的基础上发展起来的。所不起来的。所不同的是，它不同的是，它不是利用电子隧是利用电子隧道效应，而是道效应，而是利用利用原子之间原子之间的范德华力作的范德华力作用用来呈现样品来呈现样品的表面特性。的表面特性。 假设两个原子，一个是在探针尖端，另一
2、个是在样本假设两个原子，一个是在探针尖端，另一个是在样本表面，随着它们之间的距离发生变化，它们间的作用力也表面，随着它们之间的距离发生变化，它们间的作用力也随之改变。原子力显微镜就是利用这种原子间距离和作用随之改变。原子力显微镜就是利用这种原子间距离和作用力的对应关系来把样品表面的原子形貌呈现出来。力的对应关系来把样品表面的原子形貌呈现出来。组成AFM的构件主要有：1、探针系统2、扫描系统3、检测系统4、反馈系统1 1、探针系统、探针系统 探针组件是探针组件是AFMAFM的关键部分。的关键部分。由由微悬臂微悬臂和微悬臂末端的和微悬臂末端的针尖针尖组成。组成。 随着精细加工技术的发展，人随着精细
3、加工技术的发展，人们已经能制造出各种形状和特殊要们已经能制造出各种形状和特殊要求的针尖。求的针尖。 微悬臂是由微悬臂是由SiSi或或Si3N4Si3N4经光刻经光刻技术加工而成的微悬臂的背面镀技术加工而成的微悬臂的背面镀有一层金属以达到镜面反射。有一层金属以达到镜面反射。 AFM探针的针尖探针的针尖 激光反射检测法激光反射检测法 激光器发出的激光束经过激光器发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂背光学系统聚焦在微悬臂背面，并从微悬臂背面反射面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光到由光电二极管构成的光斑位置检测器。斑位置检测器。 在扫描样品时，随着样品在扫描样品时，随着样品表面的原子与微悬臂
4、探针表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的作用力的尖端的原子间的作用力的变化，微悬臂将随样品表变化，微悬臂将随样品表面形貌变化而上下起伏，面形貌变化而上下起伏，反射光束也将随之偏移，反射光束也将随之偏移，将光斑位置转化为电信号将光斑位置转化为电信号后，再经计算机处理就能后，再经计算机处理就能反映出样品表面的形貌。反映出样品表面的形貌。隧道电流检测法隧道电流检测法 是基于是基于STM原理实现的。将原理实现的。将微悬臂背面与一微小微悬臂背面与一微小STM探针接探针接触，其间施加一偏置电压，它们触，其间施加一偏置电压，它们之间便产生了隧道电流。在扫描之间便产生了隧道电流。在扫描样品时，微悬臂将随样品表
5、面形样品时，微悬臂将随样品表面形貌变化而上下起伏，进而使其与貌变化而上下起伏，进而使其与STM探针的位置也发生相应的变探针的位置也发生相应的变化，导致隧道电流发生指数级的化，导致隧道电流发生指数级的变化，那么测量原理就间接变成变化，那么测量原理就间接变成了了STM的测量原理。的测量原理。接触模式接触模式： 微悬臂探针紧压样品表面，检测时与样品保持接触，作微悬臂探针紧压样品表面，检测时与样品保持接触，作用力（斥力）通过微悬臂的变形进行测量。用力（斥力）通过微悬臂的变形进行测量。 该模式下，针尖与样品表面相接触，分辨率高，但成像时该模式下，针尖与样品表面相接触，分辨率高，但成像时针尖对样品的作用力
6、较大，适合表面结构稳定的样品针尖对样品的作用力较大，适合表面结构稳定的样品。轻敲模式轻敲模式： 用处于共振状态、上下振荡的微悬臂探针对样品表面进行用处于共振状态、上下振荡的微悬臂探针对样品表面进行扫描，样品表面起伏使微悬臂探针的振幅产生相应变化，从而扫描，样品表面起伏使微悬臂探针的振幅产生相应变化，从而得到样品的表面形貌。得到样品的表面形貌。 该模式下，针尖对样品进行该模式下，针尖对样品进行“敲击敲击”，两者间只有瞬间接，两者间只有瞬间接触，能有效克服接触模式下针尖引起的相互损伤，适合于柔软触，能有效克服接触模式下针尖引起的相互损伤，适合于柔软或吸附样品的检测。或吸附样品的检测。相位移模式相位
7、移模式： 该模式是轻敲模式的重要扩展技术，通过检测驱动微悬臂该模式是轻敲模式的重要扩展技术，通过检测驱动微悬臂探针振动的信号源的相位角与微悬臂探针检测时实际振动的相探针振动的信号源的相位角与微悬臂探针检测时实际振动的相位角之差（即两者的相移）的变化来成像。位角之差（即两者的相移）的变化来成像。 引起该相移的因素很多，如样品的组分、硬度、粘弹性质引起该相移的因素很多，如样品的组分、硬度、粘弹性质等。因此可在纳米尺度上获得样品表面局域性质的丰富信息。等。因此可在纳米尺度上获得样品表面局域性质的丰富信息。 原子力显微镜受工作环境限制较少，它可以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、
8、液相和电化学的环境下操作。在超高真空、气相、液相和电化学的环境下操作。(1)(1)真空环境：真空环境：真空环境可以避免大气中杂质和水膜真空环境可以避免大气中杂质和水膜的干扰，但其操作较复杂。的干扰，但其操作较复杂。 (2)(2)气相环境：气相环境：气相环境中，气相环境中，AFMAFM多受样品表面水膜多受样品表面水膜干扰，但其操作比较容易，它是广泛采用的一种干扰，但其操作比较容易，它是广泛采用的一种工作环境。它可以在空气中研究任何固体表面，工作环境。它可以在空气中研究任何固体表面，不受样品导电性的限制。不受样品导电性的限制。(3)液相环境：液相环境：液相环境中，液相环境中，AFM消除了针尖和样品
9、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之间的毛细现象，因此减少了针尖对样品的总作用力。液相力。液相AFM可以在液相中研究样品的形貌，其应可以在液相中研究样品的形貌，其应用十分广阔，可用于生物体系、腐蚀或液固界面的用十分广阔，可用于生物体系、腐蚀或液固界面的研究。研究。(4)电化学环境：电化学环境：电化学电化学AFM是在原有是在原有AFM基础上基础上添加了电解池、双恒电位仪和相应的应用软件。电添加了电解池、双恒电位仪和相应的应用软件。电化学化学AFM可以现场研究电极的性质包括化学和电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、腐蚀以及有机和生物分子在化学过程诱导的
10、吸附、腐蚀以及有机和生物分子在电极表面的沉积和形态变化等。电极表面的沉积和形态变化等。 光学显微镜和电子显微镜成像时都受光学显微镜和电子显微镜成像时都受电磁衍射电磁衍射的影响的影响，这给它们辨别三维结构带来困难，所以它，这给它们辨别三维结构带来困难，所以它们只能提供样品表面的二维图像，们只能提供样品表面的二维图像，AFM能够提供真能够提供真正的三维表面图。正的三维表面图。 AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，不会对样品会造成不可逆转的伤害。碳，不会对样品会造成不可逆转的伤害。 电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力电子显微镜需要运行在高真空条件下
11、，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。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，甚至活的生物组这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织。织。 AFMAFM相关的显微镜及技术相关的显微镜及技术AFMAFM能被广泛应用的一个重要原因是它具有开放性。能被广泛应用的一个重要原因是它具有开放性。 在在AFMAFM基本操作系统基础上，通过改变探针、成基本操作系统基础上，通过改变探针、成像模式或针尖与样品间的作用力就可以测量样品的像模式或针尖与样品间的作用力就可以测量样品的多种性质下面是一些与多种性质下面是一些与AFMAFM相关的显微镜和技术：相关的显
12、微镜和技术：1. 1.侧向力显微镜侧向力显微镜(LFM)(LFM)2.2.磁力显微镜磁力显微镜(MFM)(MFM)3.3.静电力显微镜静电力显微镜(EFM)(EFM)4.4.化学力显微镜化学力显微镜(CFM)(CFM)5.5.相检测显微镜相检测显微镜(PHD)(PHD)6.6.纳米压痕技术纳米压痕技术(nanoindentation(nanoindentation) )7.7.纳米加工技术纳米加工技术(nanolithography)(nanolithography)用于样品表面形态、纳米结构、链构象等方面进行研究。用于样品表面形态、纳米结构、链构象等方面进行研究。AFM image of porous Al2O3 template 首次利用原子力显微镜获得单个分子（并五苯）的内部结构Science, 2009; 325, 1428 1431. DVDDVD光盘表面（接触模式）光盘表面（接触模式）云母的原子像（接触模式）云母的原子像（接触模式）云母片上的抗体分子的云母片上的抗体分子的 AFMAFM成像成像蝴蝶翅膀的蝴蝶翅膀的AFMAFM成像成像霍乱菌-DNA-DNA用AFM针尖移动Si原子形成的IBM文字