伯东原子力显微镜AFM在纳米科学中应用

扫描探针显微镜( Scanning Probe Microscopy，SPM) 以其较强的原子和纳米尺度上的分析加工能力，在纳米科学技术的发展中占据极其重要的位置。扫描探针显微镜是在扫描隧道显微镜( STM) 基础上发展起来的。1982 年，德国物理学家GBinnig 和H Rohrer发明了具有原子级分辨率的扫描隧道显微镜( Scanning Tunneling Microscope，STM) ，它使人类第一次能够直观地看到物质表面上的单个原子及其排列状态，并深入研究其相关的物理化学性能。因此，它对物理学、化学、材料科学、生命科学以及微电子技术等研究领域有着十分重大的意义和深远的影响。STM 的发明被公认为20 世纪80 年代世界十大科技成果之一。Binnig 和Rohrer 因此获得了1986 年诺贝尔物理学奖。原子力显微镜是SPM 家族中最重要的成员之一。1986 年Binnig 等人为了弥补STM 不能对绝缘样品进行检测和操纵而发明了原子力显微镜( Atomic Force Microscopy，AFM) ，AFM 由于不需要在探针与样品间形成导电回路，突破了样品导电性的限制，因此使其在科研应用领域更加广阔。

AFM 的工作原理

AFM 的工作原理分为探测系统和反馈系统两大部分。探测系统包括探针用以感受样品的表面信息、激光系统用以收集探针上的信号，反馈系统的功能是控制探针的相对高度，以保证探针能够保持一定高度从而顺利探测到样品信息。AFM 在扫描图像时，针尖与样品表面轻轻接触，而针尖尖端原子与样品表面原子间存在微弱的相互作用力，会使悬臂产生微小变化。这种微小变化被检测出并用作反馈来保持力的恒定，就可以获得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而获得样品表面形貌的图像。AFM 的工作模式是以针尖与样品之间作用力的形式来区分主要有接触模式、非接触模式、轻敲模式三种工作模式。探针针尖是AFM 的核心部件 ，探针针尖的几何参数、物理性能等将显著影响原子力显微镜的成像分辨率。传统AFM 敲击模式微悬臂/针尖一体化的硅针尖，由于硅探针硬脆，其本身不仅容易磨损，降低探针使用寿命，而且成像过程中易损害扫描的样品，特别是检测生物等柔软样品。后有研究者对硅探针进行深入研究和改进，提高其灵敏度和使用范围，或使用其它材料如碳材料制备的探针等。AFM 在纳米科学中应用的研究进展纳米科技作为当前的热点研究的科学领域，如何对这一尺度内的材料、器件的结构和性能以及科学现象进行观测表征，这关系到人们能够在多大的限度内开展纳米科技的研究，因此，纳米检测技术就变得尤为重要。AFM 的应用无疑是对纳米科技的发展和进步起到必要的检测保证。本文从AFM 对纳米材料的外貌特征观察、力学分析、纳米材料加工等三个方面对其进行综述。

1. 外貌特征观察

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. 1 ～ 0.2nm 的高分辨率，在垂直方向的分辨率约为0. 1nm。由于表面的高低起伏状态能够准确地以数值的形式获取，因此AFM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，因此AFM 对纳米材料或是微纳米电极的外貌特征的表征有着广泛的应用。

2.力学分析

研究材料的微观作用力是对于了解它们的结构和性能具有重要意义。利用AFM 能获得探针针尖与样品间力距的关系曲线，几乎包含了所有样品和针尖之间相互作用的必要信息，利用力曲线分析技术就能给出特定分子或基团与纳米材料表面的黏附力值等物理性质。

3. 纳米材料加工

扫描探针纳米加工技术的基本原理是利用探针- 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，从而可以对纳米生物材料进行纳米级操纵加工，制备得到科学家所预设的样品。常用的基于AFM 的纳米加工技术包括机械操纵和蘸笔纳米刻蚀技术等，通过对AFM 进行升级从而实现对纳米材料的操纵加工功能。

除以上所述，AFM 在其它方面如结构分析、晶体分析、生物医学等都有广泛的应用和发展。

结语

综上所述，AFM 由于操作简单，对样品要求不高，高分辨率，可检测样品的范围广等优点，使其具有越来越广阔的应用前景。利用AFM 可以很好的研究纳米材料的外貌特征观察、力学分析、纳米材料加工等方面的特性。随着计算科学技术的进步，AFM 将在纳米材料领域的研究中发挥更大的作用。

上海伯东代理英国 NanoMagnetics 原子力显微镜主要应用于材料科学, 聚合物科学, 半导体工业领域. 与 STM 对比 AFM 原子力显微镜可以观测非导电样品, 应用范围更广.

伯东ezAFM 原子力显微镜主要技术参数：

• 任意对准的设计模式

• 扫描范围: 120 × 120 × 40 μm 或 40 × 40 × 4 μm（XYZ）

• Z轴分辨率: Z分辨率 < 0.2 nm, 在 120 μm x 120 μm 扫描范围时

• Z轴分辨率: Z分辨率< 0.02 nm, 在 40 nm x 40 μm 扫描范围时

• 固有噪声: < 75fm√Hz

• 横向解析度: 大范围扫描时<16 nm, 小扫描时 < 5nm

• 样本大小: 不限制

• 特征: 便携式, 用户友好, 价格实惠, 大扫描区域 ( x, y, z), 低压运行

 检测模式:

• 间歇性接触      

• 相位成像 / 相位对比      

• 接触模式  /静力

• 横向力显微镜（LFM）   

• 磁力显微镜（MFM）  

• 静电力显微镜（EFM）

• 压电响应力显微镜（PRFM）    

• 开尔文探针力显微镜（KPFM）

• 力调制    

• 导电AFM（c-AFM） 

• 扫描扩散电阻显微镜( SSRM )

• 多光谱模式        

• 光刻和操作模式       

• 液体模式

伯东公司主要经营产品德国 Pfeiffer涡轮分子泵, 干式真空泵, 罗茨真空泵, 旋片真空泵; 应用于各种条件下的真空测量(真空计, 真空规管);氦质谱检漏仪；质谱分析仪；真空系统, HVA 真空阀门, Polycold 冷冻机和美国KRI Kaufman 考夫曼离子源（离子枪）.