以技术方法创新为导向 释放原子力显微镜应用潜能——访中国人民大学教授程志海

扫描探针技术(SPM)是一类显微术的总称，是在扫描隧道显微镜（STM）的基础上发展起来的，主要分为STM和原子力显微镜（AFM）。首台扫描隧道显微镜于1981年问世，它的出现使得人们首次可以直接探测物体表面的原子排列及其电子行为，对于物理学、材料学、表面科学、微电子加工技术、化学和生命科学等均有着重要的意义。STM具有许多表面分析仪器不能比拟的优点，但其仅局限于对半导体和金属样品进行测量。为了弥补STM这一不足，1985年AFM诞生了。相比于扫描隧道显微镜，原子力显微镜不仅可以研究不具有导电性的样品，可以拓展应用于更多的材料体系研究，同时可以在大气和液体环境中工作，极大地扩展了其应用范围。近日，仪器信息网走进中国人民大学采访了在扫描探针显微镜领域持续进行技术方法创新的“开拓者”——中国人民大学教授程志海老师。

程志海老师与课题组实验室的Park NX10 原子力显微镜

漫漫求学路 亲历国内扫描探针技术的兴起与发展

程志海老师本科就读于大连理工大学物理系，初入科研领域的程志海深受原子操纵、扫描隧道显微镜等先进技术的吸引。那时纳米技术刚刚在国内兴起，程志海找到回国不久的物理所高鸿钧老师，进入其实验室进行扫描探针显微技术的研究。此时，国内还没有多少课题组在进行扫描探针领域的研究工作。在高鸿钧老师的支持下，程志海老师前往德国柏林自由大学深造，学习原子操纵技术。这所大学是当时原子操纵研究较早、也是做得比较好的大学之一。博士毕业后，程志海又赴美留学，在加州大学河滨分校进行动态STM技术的研究，并将其应用于催化和表面扩散领域。这段经历，让他深刻认识到纳米显微技术的重要性，并促使程老师在扫描探针技术领域持续进行技术方法创新，成为扫描探针显微镜领域的“开拓者”，并获得了国际上的高度认可。

原子级分辨率骨架成像

2011年回国后，程志海加入国家纳米科学中心并在裘晓辉老师领导的纳米表征研究室工作，当时的方向瞄准纳米标准检测方面，主要基于原子力探针显微技术来开展。通过进一步优化发展qPlus- AFM技术，2013年直接“看见”了氢键，获得了原子级分辨率的分子化学骨架结构图像。该成果发表在Science，并入选2013年中国科学十大进展，同年也被Nature评为年度最震撼的图片之一。该实验室是国内第一个掌握该技术的课题组，当时国际上掌握类似技术的课题组也不超过5家。在该成果影响下，随后陆续国内有几个课题组跟进他们的工作并对qPlus-AFM技术很有兴趣，到现在已有更多国内的课题组进入到了这一领域，开展了不同体系的研究工作。

AFM：一种通用型的平台技术

在qPlus AFM技术应用的过程中，程志海老师意识到AFM具有非常强大的实用功能。相比于扫描隧道显微镜（STM），AFM在应用范围方面更广，不仅适用于半导体、绝缘体样品，也适用于生物样本，还可以用于工业样品的检测和表征。

由于qPlus AFM对样品的限制性较大，程志海老师开始转向应用范围更广的大气微悬臂AFM进行技术上的探索。同时，他的实验室也购买了一台Park NX10原子力显微镜，进一步扩大了研究领域和应用范围。这些探索和实践为程志海教授在纳米领域的科研探索打下了坚实的基础，也为国内的纳米技术发展提供了新的思路和方法。

Park NX10原子力显微镜

使用AFM进行研究，不仅需要对AFM技术理论有一定的了解，也要掌握相关研究领域的知识。目前，程志海教授的研究团队主要集中于低维材料的电学性质、力学性质和热学性质方面的研究，同时与材料科学和生物领域的科研团队开展合作研究。程志海教授认为，AFM更像是一种通用的平台技术，可根据使用者的需求定制具体研究方案。目前，AFM在二维材料、半导体、高分子和细胞生物学等领域有着广泛的应用。为了进一步推广这一技术，程志海教授计划拓展AFM在低温磁场/极端条件下的应用，并进行量子材料探测等相关研究工作，为纳米材料的研究和发展做出贡献。

以AFM技术方法为核心开展研究

程志海教授的研究团队将AFM技术方法作为核心，开展相关研究。这种方法不同于以仪器为中心的研究方法，但两种方法并没有优劣之分。程志海解释道：“大部分研究者可能是基于材料和问题出发，技术方法仅是其服务的工具。而我们的课题组则是以技术方法为核心，开拓创新先进的扫描技术方法，然后在各种体系中开展展示性的应用，随后可以与基础研究的合作伙伴或仪器公司进一步进行技术合作。”程志海教授进一步表示：“我们使用的许多技术方法并非常规方法，通常需要对现有的AFM设备进行改造来实现。这种研究思路在国内可能比较少见，但国际上许多顶尖的研究团队也采用这种方法。”

从方法和需求创新出发 发展AFM技术

程志海教授认为，想要进一步突破AFM技术的发展现状，需要从方法和需求两个方面出发。从方法上可以进行技术创新，比如将微波与AFM结合，或是将时间分辨技术与AFM相结合。同时，也可以将人工智能引入AFM技术领域，在自动化数据分析、扫描选取、参数调节等方面进行应用。

从需求方面出发，其一是更加注重实际应用场景，将AFM适用于更为实际的复杂体系中，如天然产物或生物等。其二、用户需求也可以作为技术创新的发展方向，仪器公司可以根据客户需求开发相应的技术和方法。程志海教授团队倾向于以需求为核心，结合最新的技术方法进行创新和发展，并将这些技术迅速推广到科研群体中。

对用户而言，怎样才是一台好的AFM？

程志海老师认为，一台好的AFM还应具有以下特点：

1. 精确度和稳定性：能够实现纳米级别的精度，并且测量结果准确可靠。设备皮实耐用，仪器经常故障势必会带来糟糕的使用体验。

2. 灵活性好：能够适应不同的样品类型和测试需求，具有多种不同的测试模式和功能。

3. 可操作性和兼容开放的平衡：仪器应该容易上手，操作流程应该清晰简单，用户无需花费过多的时间和精力学习如何使用仪器。同时应兼容一定的开放性，为用户对设备的改造预留想象空间。

4. 成熟度：用户体验感既依赖于不同类型用户的需求，也依赖于整个仪器技术的成熟度。AFM的不同产品有的适用于工业界，有的适用于平台，有的适用于研究型。国外公司设计的AFM产品基本均经过了较长时间的迭代，具有较高的产品成熟度，而目前国内产品在产品迭代方面就有所欠缺，这也是国产仪器发展的一个瓶颈。

对AFM领域的入门者有哪些建议？

此外，程志海教授给AFM入门学生提出了以下建议：

1. 系统学习基础知识：包括仪器的原理、使用方法、样品制备技术等基础知识，从最基础的开始系统学习，一步步深入，逐渐掌握技能。

2. 多动手实践：在学习的同时，多参与实验操作，多看一些样品的实际操作，并从实践中总结经验，不断优化自己的操作技能。

3. 注重数据分析：对于得到的数据，应该仔细分析，了解每一个参数的意义，找到相应的解释，积累数据处理的经验，提高数据分析和结果解释的能力。

对于即将购买AFM设备的入门者，程志海老师也给出了自己的意见。他提到：“需要先了解自己的研究方向和研究需求，根据需求来选择设备,不要期待着一台设备能实现所有的功能。”

“很多老师买设备的时候，总是希望加很多附件，这没有必要。你可能会发现很多功能都是‘打架’的。有些附件或者功能，可能你几年也用不到一次，特殊的功能因为买的人少，成本更高，不仅很贵，服务也不好。所以要根据自己的需求来选择AFM。”

程志海老师表示：“对于入门研究学者来说，切忌一下子开展太多的方向，需要积累到一定的阶段才能去开拓比较多的方向。”总之，购买AFM设备需要从自己的需求和实际情况出发，认真选择和了解设备，尽量做到买得安心、用得放心。