掃描探針顯微鏡( Scanning Probe Microscopy，SPM) 以其較強(qiáng)的原子和納米尺度上的分析加工能力，在納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中占據(jù)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(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。1982 年，德國(guó)物理學(xué)家GBinnig 和H Rohrer發(fā)明了具有原子級(jí)分辨率的掃描隧道顯微鏡( Scanning Tunneling Microscope，STM) ，它使人類第一次能夠直觀地看到物質(zhì)表面上的單個(gè)原子及其排列狀態(tài)，并深入研究其相關(guān)的物理化學(xué)性能。因此，它對(duì)物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)以及微電子技術(shù)等研究領(lǐng)域有著十分重大的意義和深遠(yuǎn)的影響。STM 的發(fā)明被公認(rèn)為20 世紀(jì)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(xué)獎(jiǎng)。原子力顯微鏡是SPM 家族中最重要的成員之一。1986 年Binnig 等人為了彌補(bǔ)STM 不能對(duì)絕緣樣品進(jìn)行檢測(cè)和操縱而發(fā)明了原子力顯微鏡( Atomic Force Microscopy，AFM) ，AFM 由于不需要在探針與樣品間形成導(dǎo)電回路，突破了樣品導(dǎo)電性的限制，因此使其在科研應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊。
AFM 的工作原理
AFM 的工作原理分為探測(cè)系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)兩大部分。探測(cè)系統(tǒng)包括探針用以感受樣品的表面信息、激光系統(tǒng)用以收集探針上的信號(hào)，反饋系統(tǒng)的功能是控制探針的相對(duì)高度，以保證探針能夠保持一定高度從而順利探測(cè)到樣品信息。AFM 在掃描圖像時(shí)，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(huì)使懸臂產(chǎn)生微小變化。這種微小變化被檢測(cè)出并用作反饋來(lái)保持力的恒定，就可以獲得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，從而獲得樣品表面形貌的圖像。AFM 的工作模式是以針尖與樣品之間作用力的形式來(lái)區(qū)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 ，探針針尖的幾何參數(shù)、物理性能等將顯著影響原子力顯微鏡的成像分辨率。傳統(tǒng)AFM 敲擊模式微懸臂/針尖一體化的硅針尖，由于硅探針硬脆，其本身不僅容易磨損，降低探針使用壽命，而且成像過(guò)程中易損害掃描的樣品，特別是檢測(cè)生物等柔軟樣品。后有研究者對(duì)硅探針進(jìn)行深入研究和改進(jìn)，提高其靈敏度和使用范圍，或使用其它材料如碳材料制備的探針等。AFM 在納米科學(xué)中應(yīng)用的研究進(jìn)展納米科技作為當(dāng)前的熱點(diǎn)研究的科學(xué)領(lǐng)域，如何對(duì)這一尺度內(nèi)的材料、器件的結(jié)構(gòu)和性能以及科學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)表征，這關(guān)系到人們能夠在多大的限度內(nèi)開展納米科技的研究，因此，納米檢測(cè)技術(shù)就變得尤為重要。AFM 的應(yīng)用無(wú)疑是對(duì)納米科技的發(fā)展和進(jìn)步起到必要的檢測(cè)保證。本文從AFM 對(duì)納米材料的外貌特征觀察、力學(xué)分析、納米材料加工等三個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行綜述。
1. 外貌特征觀察
通過(guò)檢測(cè)探針與樣品間的作用力可表征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 的高分辨率，在垂直方向的分辨率約為0. 1nm。由于表面的高低起伏狀態(tài)能夠準(zhǔn)確地以數(shù)值的形式獲取，因此AFM對(duì)表面整體圖像進(jìn)行分析可得到樣品表面的粗糙度、顆粒度、平均梯度、孔結(jié)構(gòu)和孔徑分布等參數(shù)，也可對(duì)樣品的形貌進(jìn)行豐富的三維模擬顯示，使圖像更適合于人的直觀視覺，因此AFM 對(duì)納米材料或是微納米電極的外貌特征的表征有著廣泛的應(yīng)用。
2.力學(xué)分析
研究材料的微觀作用力是對(duì)于了解它們的結(jié)構(gòu)和性能具有重要意義。利用AFM 能獲得探針針尖與樣品間力距的關(guān)系曲線，幾乎包含了所有樣品和針尖之間相互作用的必要信息，利用力曲線分析技術(shù)就能給出特定分子或基團(tuán)與納米材料表面的黏附力值等物理性質(zhì)。
3. 納米材料加工
掃描探針納米加工技術(shù)的基本原理是利用探針- 樣品納米可控定位和運(yùn)動(dòng)及其相互作用對(duì)樣品進(jìn)行納米加工操縱，從而可以對(duì)納米生物材料進(jìn)行納米級(jí)操縱加工，制備得到科學(xué)家所預(yù)設(shè)的樣品。常用的基于AFM 的納米加工技術(shù)包括機(jī)械操縱和蘸筆納米刻蝕技術(shù)等，通過(guò)對(duì)AFM 進(jìn)行升級(jí)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)納米材料的操縱加工功能。
除以上所述，AFM 在其它方面如結(jié)構(gòu)分析、晶體分析、生物醫(yī)學(xué)等都有廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。
結(jié)語(yǔ)
綜上所述，AFM 由于操作簡(jiǎn)單，對(duì)樣品要求不高，高分辨率，可檢測(cè)樣品的范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，使其具有越來(lái)越廣闊的應(yīng)用前景。利用AFM 可以很好的研究納米材料的外貌特征觀察、力學(xué)分析、納米材料加工等方面的特性。隨著計(jì)算科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，AFM 將在納米材料領(lǐng)域的研究中發(fā)揮更大的作用。
上海伯東代理英國(guó) NanoMagnetics 原子力顯微鏡主要應(yīng)用于材料科學(xué), 聚合物科學(xué), 半導(dǎo)體工業(yè)領(lǐng)域. 與 STM 對(duì)比 AFM 原子力顯微鏡可以觀測(cè)非導(dǎo)電樣品, 應(yīng)用范圍更廣.
伯東ezAFM 原子力顯微鏡主要技術(shù)參數(shù)：
? 任意對(duì)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)模式
? 掃描范圍: 120 × 120 × 40 μm 或 40 × 40 × 4 μm（XYZ）
? Z軸分辨率: Z分辨率 < 0.2 nm, 在 120 μm x 120 μm 掃描范圍時(shí)
? Z軸分辨率: Z分辨率< 0.02 nm, 在 40 nm x 40 μm 掃描范圍時(shí)
? 固有噪聲: < 75fm√Hz
? 橫向解析度: 大范圍掃描時(shí)<16 nm, 小掃描時(shí) < 5nm
? 樣本大小: 不限制
? 特征: 便攜式, 用戶友好, 價(jià)格實(shí)惠, 大掃描區(qū)域 ( x, y, z), 低壓運(yùn)行
檢測(cè)模式:
? 間歇性接觸
? 相位成像 / 相位對(duì)比
? 接觸模式 /靜力
? 橫向力顯微鏡（LFM）
? 磁力顯微鏡（MFM）
? 靜電力顯微鏡（EFM）
? 壓電響應(yīng)力顯微鏡（PRFM）
? 開爾文探針力顯微鏡（KPFM）
? 力調(diào)制
? 導(dǎo)電AFM（c-AFM）
? 掃描擴(kuò)散電阻顯微鏡( SSRM )
? 多光譜模式
? 光刻和操作模式
? 液體模式
伯東公司主要經(jīng)營(yíng)產(chǎn)品德國(guó) Pfeiffer渦輪分子泵, 干式真空泵, 羅茨真空泵, 旋片真空泵; 應(yīng)用于各種條件下的真空測(cè)量(真空計(jì), 真空規(guī)管);氦質(zhì)譜檢漏儀；質(zhì)譜分析儀；真空系統(tǒng), HVA 真空閥門, Polycold 冷凍機(jī)和美國(guó)KRI Kaufman 考夫曼離子源（離子槍）.
