原子力顯微鏡

<image>

<image>

<image>

<image>

<image>

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，簡稱AFM），也稱掃描力顯微鏡（Scanning Force Microscope，SFM）是一種納米級高分辨的掃描探針顯微鏡，優於光學衍射極限1000倍。原子力顯微鏡的前身是掃描隧道顯微鏡，是由IBM蘇黎士研究實驗室的卡爾文·奎特，格爾德·賓寧和格貝爾在1986年在掃描隧道顯微鏡（STM， Scanning Tunnelling Microscope）的基礎上設計而來。

格爾德·賓寧、魁特（Calvin Quate）和格貝爾（Gerber）於1986年發明第一台原子力顯微鏡，而第一台商業化原子力顯微鏡於1989年生產的。AFM是在納米尺度操作材料，及其成像和測量最重要的工具。資訊是通過微懸臂感受和懸臂上尖細探針的表面的「感覺」來收集的，而壓電元件可以控制樣品或掃描器非常精確的微小移動，用導電懸臂（cantilever）和導電原子力顯微鏡附件則可以測量樣品的電流偏壓；更高級的儀器則可以測試探針上的電流來測試樣品的電導率或下表面的電子的移動，不過這種測試是非常艱難的，只有個別實驗室報導了一致的數據。利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細探針與受測樣品原子之間的作用力，從而達到檢測的目的，具有原子級的解析度。由於原子力顯微鏡既可以觀察導體，也可以觀察非導體，從而彌補了掃描隧道顯微鏡的不足。

原子力顯微鏡是由IBM公司蘇黎世研究中心的格爾德·賓寧與史丹福大學的Calvin Quate於一九八五年所發明的，其目的是為了使非導體也可以採用類似掃描探針顯微鏡（SPM）的觀測方法。原子力顯微鏡（AFM）與掃描隧道顯微鏡（STM）最大的差別在於並非利用電子穿隧效應，而是檢測原子之間的接觸，原子鍵合，范德瓦耳斯力或卡西米爾效應等來呈現樣品的表面特性。

## 工作原理

<image>

AFM的關鍵組成部分是一個頭上帶有一個用來掃描樣品表面的尖細探針的微觀懸臂。這種懸臂大小在數十至數百微米，通常由矽或者氮化矽構成，其上載有探針，探針之尖端的曲率半徑則在納米量級。當探針被放置到樣品表面附近的地方時，懸臂上的探針頭會因為受到樣品表面的力而遵從胡克定律彎曲偏移。在不同的情況下，這種被AFM測量到的力可能是機械接觸力、范德華力、毛吸力、化學鍵、取向力、靜電力、磁力（見磁力顯微鏡）卡西米爾效應力、溶劑力等等。通常，偏移會由射在微懸臂上的雷射束反射至光敏二極體陣列而測量到，較薄之懸臂表面常鍍上反光材質（如鋁）以增強其反射。其他方法還包括光學干涉法、電容法和壓電效應法。這些探頭通常由採用壓電效應的變形測量器而製得。通過惠斯登電橋，探頭的形變可以被測得，不過這種方法沒有雷射反射法或干涉法靈敏。

當在恆定高度掃描時，探頭很有可能撞到表面的造成損傷。所以通常會通過反饋系統來維持探頭與樣品片表面的高度恆定。傳統上，樣品被放在壓電管上並可以在z方向上移動以保持與探頭之間的恆定距離，在x、y方向上移動來實現掃描。或者採用一種「三腳架」技術，在三個方向上實現掃描，這種方法部分抑制了壓電管掃描時所產生的扭曲效應。在較新的設計中，探針被裝載在垂直壓電掃描器上，而樣品則用另外的壓電結來掃描X和Y方向。掃描的結果z = f(x,y)就是樣品的形貌圖。

AFM可以在不同模式下運行。這些模式可以被分為靜態模式（Static Mode，也稱接觸模式，Contact Mode），或其他一系列動態模式（Dynamic Mode，如非接觸模式（Non-Contact Mode）、輕敲模式（Tapping Mode）、側向力（Lateral Force Mode）模式。

## 成像模式

原子力顯微鏡的主要工作模式有靜態模式和動態模式兩種。在靜態模式中，懸臂從樣品表面划過，從懸臂的偏轉可以直接得知表面的高度圖。在動態模式中，懸臂在其基頻或諧波或附近振動，而其振幅、相位和共振與探針和樣品間的作用力相關，這些參數相對外部參考的振動的改變可得出樣品的性質。

### 接觸模式

在接觸模式下，探針在樣品表面上「拖動」，通過直接測量懸臂的偏轉或者反饋信號來保持懸臂在恆定位置來測量表面的輪廓。由於靜態信號容易受到噪聲和漂移的影響，因此使用低剛度懸臂（即勁度係數 $k$ 較低的懸臂）來獲得足夠大的偏轉信號，同時保持較低的相互作用力。在靠近樣品表面的地方，吸引力可能非常強烈，導致探針與表面緊密結合。因此，接觸模式原子力顯微鏡幾乎總是在整體力為排斥力的深度進行，即與固體表面緊密接觸。

接觸模式對樣品表面的磨損較大，因此適用於硬度較高的樣品，如金屬、半導體等。同時，由於接觸模式中的力較大，不適用於軟、易損壞的生物樣品。

### 非接觸模式

在這種模式下，懸臂上的探針並不接觸樣品表面，而是以比其共振頻率略高的頻率振動，振幅通常小於幾納米。范德華力在探針距離表面樣品1~3納米時最強，它與其他在表面上的長程力會降低懸臂的振動頻率。通過調整探針與樣品間的平均距離，頻率的降低與反饋迴路一起保持不變的振動頻率或振幅。測量 $(x,y)$ 每個數據點上的探針與樣品間的距離即可讓掃描軟體構建出樣品表面的形貌。

在接觸模式下掃描數次通常會傷害樣品和探針，但非接觸模式則不會，這個特點使得非接觸模式通常用來測試柔軟的樣品，如生物組織和有機薄膜；而對于堅硬樣品，兩個模式得到的圖像幾乎一樣。然而，如果在堅硬樣品上裹有一層薄膜或吸附有流體，兩者的成像則差別很大。接觸模式下探針會穿過液體層從而成像其下的表面，非接觸模式下則探針只在吸附的液體層上振動，成像資訊是液體和下表面之和。

動態模式下的成像包括頻率調製和更廣泛使用的振幅調製。頻率調製中，振動頻率的變化提供探針和樣品間距的資訊。頻率可以被非常靈敏地測量，因此頻率調製使用非常堅硬的懸臂，因其在非常靠近表面時仍然保持很穩定；因此這種技術是第一種在超高真空條件下獲得原子級解析度的原子力顯微鏡技術。振幅調製中，懸臂振幅和相位的變化提供了圖像的反饋信號，而且相位的變化可用來檢測表面的不同材料。振幅調製可用在非接觸模式和間歇接觸領情況。在動態接觸模式中，懸臂是振動的，以至懸臂振動懸臂探針和樣品表面的間距是調製的。振幅調製也用於非接觸模式中，用來在超高真空條件下使用非常堅硬的懸臂和很小的振幅來得到原子級解析度。

### 輕敲模式

<image>

通常情況下，絕大部分樣品表面都有一層彎曲液面，為此非接觸模式下使探針足夠靠近樣品表面從而可以測試短程力，但是此時探針又容易粘貼到樣品表面，這是經常發生的大問題；動態模式就是為了避免此問題而發明的，又叫做間歇接觸模式（intermittent contact）、輕敲模式（tapping mode）或AC模式（AC Mode）。在輕敲模式中，懸臂通過類似於非接觸下的裝載在探針上的微小的壓電元件做來上下振動，頻率在其共振頻率附近，然而振幅則遠大於10納米，大概在100~200納米間。當探針越靠近樣品表面時，探針和樣品表面間的范德華力、偶極偶極作用和靜電力等作用力會導致振幅越來越小。電子自動伺服機通過壓電制動器來控制懸臂和探針間的距離，當懸臂掃描樣品表面時，伺服機會調整探針和樣品間距來保持懸臂的預設的振幅，而成像相互作用力則得到原子力顯微鏡輕敲模式圖像。輕敲模式減少了接觸模式中對樣品和探針和損傷，它是如此的溫和以致於可以成像固定的磷脂雙分子層和吸附的單個高分子鏈。比如液相的0.4納米厚的合成聚合物電解質，在合適的掃描條件下，單分子實驗可以在幾小時內保持穩定。

輕敲模式因其有效地避免了橫向摩擦、減小了探針及樣品磨損，已成為當今使用最廣泛的AFM工作模式。

## 優點與缺點

相對於掃描電子顯微鏡，原子力顯微鏡具有許多優點。不同於電子顯微鏡只能提供二維圖像，AFM提供真正的三維表面圖。同時，AFM不需要對樣品的任何特殊處理，如鍍銅或碳，這種處理對樣品會造成不可逆轉的傷害。第三，電子顯微鏡需要運行在高真空條件下，原子力顯微鏡在常壓下甚至在液體環境下都可以良好工作。這樣可以用來研究生物宏觀分子，甚至活的生物組織。他就像盲人摸象一樣，在物體的表面慢慢撫摸，原子的形狀很直觀的表現。

和掃描電子顯微鏡相比，AFM的缺點在於成像範圍太小，速度慢，受探頭的影響太大。