高分辨原子力显微镜

项目编号：SZDL2022002215（0868-2242ZD1324H）项目名称：超高分辨原子力显微镜预算金额：203.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：203.0000000 万元（人民币）采购需求：序号货物名称数量单位备注1超高分辨原子力显微镜1台接受进口合同履行期限：签订合同后180天（日历日）内交货。本项目( 不接受 )联合体投标。

项目编号：HSZT2022HG/150项目名称：中国科学院生态环境研究中心高分辨原子力显微镜采购项目预算金额：110.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：110.0000000 万元（人民币）采购需求：本项目不分包，遴选1家供应商为采购人提供如下设备采购：序号采购设备名称数量（台/套）最高投标限价（人民币：万元）是否允许采购进口产品1高分辨原子力显微镜1110是 具体内容及要求详见招标文件第三部分“采购内容及要求”。合同履行期限：交货日期：合同生效后6个月内本项目( 不接受 )联合体投标。

一、项目编号：0811-234DSITC0372（招标文件编号：0811-234DSITC0372）二、项目名称：纳米拉曼成像系统（高分辨共聚焦显微拉曼光谱仪与原子力显微镜联用系统）三、中标（成交）信息供应商名称：国药集团国际贸易（香港）有限公司供应商地址：香港湾仔轩尼诗道288号英皇集团中心1601室中标（成交）金额：449.5600000（万元）四、主要标的信息序号供应商名称货物名称货物品牌货物型号货物数量货物单价(元)1国药集团国际贸易（香港）有限公司纳米拉曼成像系统（高分辨共聚焦显微拉曼光谱仪与原子力显微镜联用系统）HORIBA FRANCE SASLabRAMOdyssey Nano壹套4495600五、评审专家（单一来源采购人员）名单：王宇晓、范冬梅、边玮、陈燕、褚成成（采购人代表）六、代理服务收费标准及金额：本项目代理费收费标准：按照国家发改委1980号文件《招标代理服务费管理暂行办法》规定标准下浮33%收取，服务费金额不足8000元的，按8000元收取。本项目代理费总金额：3.5813000 万元（人民币）七、公告期限自本公告发布之日起1个工作日。八、其它补充事宜1、本项目为机电产品国际招标项目，本公告已于同日在机电产品招标投标电子交易平台、中国招标投标公共服务平台同步发布。2、本项目中标金额为（CIP人民币）4,495,600.00，合同最终结算时以实际发生金额为准。3、本项目的评标结果已在机电产品招标投标电子交易平台、中国招标投标公共服务平台上公示，评标结果公示无异议，根据《机电产品国际招标投标实施办法（试行）》，本项目的评标结果已自动生效并进行公告。”九、凡对本次公告内容提出询问，请按以下方式联系。1.采购人信息名 称：同济大学　　　　　地址：上海市四平路1239号　　　　　　　　联系方式：贾老师　　　　　　2.采购代理机构信息名 称：上海东松医疗科技股份有限公司　　　　　　　　　　　　地　址：0086-21-63230480转8610、8621　　　　　　　　　　　　联系方式：林之翔、张智岚　　　　　　　　　　　　3.项目联系方式项目联系人：林之翔、张智岚电　话：　　0086-21-63230480转8610、8621

p　　近日，中国科学院上海应用物理研究所物理生物学研究室与上海交通大学、南京邮电大学合作，基于DNA纳米技术发展了一系列DNA折纸结构并作为纳米力学成像探针，实现了原子力显微镜下对基因组DNA的直读检测和高分辨成像。相关结果发表于《自然-通讯》(Nature Communications 2017, 8, 14738)。/pp　　DNA折纸结构是利用DNA碱基互补配对原则，通过程序性设计将M13 DNA在上百条DNA短链的辅助下折叠成指定几何形状。上海应物所博士张宏陆等在研究员樊春海指导下，并与晁洁、师咏勇等合作，通过设计DNA折纸结构作为原子力显微镜的纳米力学成像探针，在单分子水平下实现了对DNA分子的特异性标记和单核苷酸变异性(SNP)的直读检测。相较于基于荧光成像的直读方法，这种新技术将分辨率提升一个数量级，可达到远超光学衍射极限的10 纳米分辨。基于DNA纳米折纸结构设计的探针为原子力显微镜的图像获取提供了精确的标尺和丰富的选择，为遗传分析等生物学应用提供了新的工具。进一步，他们还将该方法与之前发展的纳米PCR和单倍型分析技术(Nature Nanotechnology 2011, 6, 639)结合，实现了单分子水平的遗传样本单倍型分析。这种单分子水平的单倍型分析通量高，可靠性好，有望用于易感基因的发现、疾病相关基因的鉴定和药物设计等方面。/pp style="text-align: center "img title="W020170419526524657437.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201704/insimg/5ce2d220-65c2-4a85-8844-d5d4e94428db.jpg"/　 /pp/pp style="text-align: center "上海应物所等在DNA折纸纳米力学成像探针设计方面取得进展/pp/pp/p

近日，河南省医疗器械检验所公开招标，购买高分辨液相色谱质谱联用仪、原子力显微镜、电感耦合等离子体质谱等多台仪器，预算9857.86万元。　　项目编号：豫财招标采购-2021-351　　项目名称：河南省医疗器械检验所河南省医疗器械检验检测能力项目　　采购方式：公开招标　　预算金额：98,578,600.00元　　最高限价：98578600元序号包号包名称包预算（元）包最高限价（元）1豫政采(2)20210460-1进口设备1包46000002豫政采(2)20210460-2进口设备2包35000003豫政采(2)20210460-3进口设备3包32000004豫政采(2)20210460-4进口设备4包41600005豫政采(2)20210460-5进口设备5包27000006豫政采(2)20210460-6进口设备6包4290000　　采购需求(包括但不限于标的的名称、数量、简要技术需求或服务要求等)　　为建设现代化综合型医疗器械所，购置医疗器械检验检测能力提升仪器设备，以满足河南省医疗器械监管工作需要、河南省及周边省份医疗器械检验检测及科研等需要。　　本项目共分24个包，包含每包设备的采购、安装、调试、验收、培训、质保期内外服务、与货物有关的运输和保险及其他伴随服务等(具体内容详见招标文件)。　　进口设备1包：高分辨液相色谱质谱联用仪1台，允许进口 　　进口设备2包：超高效液相高分辨质谱联用系统1台，允许进口 　　进口设备3包：基质辅助激光解析附电离飞行时间质谱仪1台，允许进口 　　进口设备4包：倒置显微镜(2)1台、光学显微镜1台、倒置显微镜1台、显微镜(解剖镜)1台、荧光显微镜1台、核型分析专用电动显微镜1台、原子力显微镜1台，允许进口 　　进口设备5包：气相色谱仪1台、气相色谱仪(2)1台、气相色谱质谱联用仪(三重四极杆)1台，允许进口 　　进口设备6包：电感耦合等离子体质谱(三重四级杆)1台、原子吸收分光光度计1台、电感耦合等离子体发射光谱(ICP)1台、原子吸收光谱仪1台，允许进口 　　合同履行期限：合同签订后90日历日内交付　　本项目是否接受联合体投标：否　　是否接受进口产品：是　　开标时间：2021年05月25日09时00分(北京时间)

对极限微观的不断探索源于人们原始的求知欲。国际度量衡制度的确立为我们指引了探索的方向。从米到毫米，从毫米到微米，从微米到纳米。当物质被我们不断地“劈碎”。越来越多新性质，新现象，新功能被发现。人们对自然的认识越来越深刻，对物质的操纵也越来越得心应手。 从二十世纪末开始，人类对微观的探索延伸到了纳米领域。在这个从仅比原子高一个层级的尺度范围内，物质展现了一种和宏观截然不同的状态和性质。表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应带来的是超高强度、超高导电性、超流动性、超高催化活性等等无与伦比的属性。 碳纳米管作为第一种人工合成的纳米材料，甫一问世，其超高强度就惊艳世人。它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是铁的10倍。 单壁碳纳米管高度（直径）测量在碳纳米管被研制出来以后，双壁碳纳米管、掺杂碳纳米管、复合碳纳米管等多种材料被源源不断制作出来。极小的尺度和样品多样性，迫切需要一种合适的检测工具。 在纳米尺度下，光学显微镜的分辨率早已鞭长莫及，电子显微镜则因为严格复杂的制样过程使测试门槛令人高不可攀，激光粒度仪对长径比过大的样品测试误差极大也不适合。这时，较合适的观测工具就是原子力显微镜。 原子力显微镜作为专门的纳米材料表征工具，天然具有高分辨率、高环境兼容性、多属性分析种种优势。 原子力显微镜观察的不同碳纳米管形态在生产中，因工艺不同，会产生长短粗细不同的碳纤维。如何有效对这些样品进行归类分析是个大问题。 不同工艺下碳纳米管分散状态借助岛津原子力显微镜配备的颗粒分析软件，则可以自动分析筛选，并对纤维的各种尺度进行统计分析。 极长和极短碳纳米管的自动分类统计同样，对于常见到的纳米材料——纳米颗粒而言，也可以依靠该软件进行统计分析。 纳米颗粒的粒径统计而且，利用原子力显微镜，还可以有效观察同样粒径下颗粒的不同形貌。例如以下两个颗粒，粒径均在100nm左右，如果用激光粒度仪测试，会被归为一类。但是用原子力显微观察，则可以发现很大的不同。 粒径近似的纳米颗粒聚集形态左侧的颗粒是单个粒子，二右侧的则是多个颗粒聚集形成的，在原子力显微镜的小范围观察图像中可以清晰分辨二者的不同。 但是，通常的原子力显微镜很难兼顾大视野和高分辨。要想同时观察统计大量颗粒，就需要用大范围观察，这样一来每个颗粒的细节分辨就难以看清。如果聚焦到一个颗粒上细致观察，则无法从整体上评估样品。 解决的办法就是提高原子力显微镜图像的分辨率。岛津推出了8192*8192点阵的高扫描能力。可以在大范围观察的同时又看清每一个小细节。 兼顾大视野和小细节的超大点阵扫描图像原子力显微镜作为人类眼睛的延伸，像一个精细的触手，细致地捕获纳米材料的形貌、机械性能、电磁学性能等等属性，使这个微乎其微的领域直观地展现在我们眼前，为我们更深更广地认识纳米材料提供了有力帮助。 文中相关仪器介绍详见以下链接：https://www.shimadzu.com.cn/an/surface/spm/index.html 本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

人类探索极限的脚步从未停止。为了看得更细，看得更清。列文虎克发明了显微镜，成为人类利用工具观察世界的肇始。 从此，光学成为显微镜的支配性规律。自十七世纪到二十世纪初，光学显微镜完成了几乎所有类型的研发、设计和定型。但因为衍射极限的发现，似乎提高观察的分辨率只有改进光源这一种路径。激光的发明成为光学显微镜在分辨率上最后的努力。 十九世纪初电子的发现，以及微观粒子的波粒二象性特性的揭示，成为了电子显微镜的基础。但是电子显微镜实际上可以看做光学显微镜在量子力学下的延伸。用加速电子束替代了传统光源，用磁透镜/静电透镜代替了透明介质透镜，可是几乎所有的理论结构都与光学显微镜一致。二十世纪三十年代电子显微镜被发明至今，其分辨率极致被提高到亚纳米级别，距离原子级分辨似乎只有一步之遥。 但是自然界被物理铁律支配，这一步似乎近在咫尺，但却云崖天隔。二十一世纪的电子显微镜已经进入了和二十世纪光学显微镜同样的境地，只能在不断改进各部件的精度中一丝一毫地改进图像，但无法跨越最后的鸿沟。 量子力学成为了新一代显微镜的理论基础。1981年，隧道扫描显微镜被发明，一种全新的显微镜横空出世。它不同于光学显微镜和电子显微镜，完全摆脱了对检测介质的依赖，以微粒间的作用（电、力）为检测信号，一举突破了原子级别的分辨率。随后在1985年被发明的原子力显微镜，更是将适用对象从金属和半导体拓展到所有的固体。 这是一种全新的显微方法和工具，从二十世纪八十年代末到九十年代初，全球各主要科技强国纷纷开展了扫描探针显微镜的研发。 OUR HISTORY岛津 也正是在这个时期，岛津开始涉足该领域。1991年，基于超高真空环境的隧道扫描显微镜AIS-900面世。 相对于在大气环境下的隧道扫描显微镜，真空环境是其工作环境更为简单，图像分辨率和清晰程度都更高，工作也更稳定。 虽然真空环境带来了分辨率的提高，但是同时也限制了样品的测试和操作的便利性。为此，1993年，岛津开发了兼容多种环境的WET-901，同时可以满足对大气环境、真空环境、特殊气氛、液体环境、电化学环境等不同要求。WET-901和随后的WET-9400代表着岛津敏锐地意识到，随着原子力显微镜的不断完善，微区观测技术必然会对原位分析产生重要的影响。因此，岛津持续不断地改进环境控制舱，应对不同时期科研领域的需求。 紧接着在1995年，岛津推出了成功的SPM-9500系列。二十世纪九十年代中后期是原子力显微镜大发展的时期，各种扫描模式从实验室走向实用。从1995年2001年，岛津SPM-9500系列也历经SPM-9500、SPM-9500J、SPM-9500J2、SPM-9500J3四个型号，不断吸收新的功能模式。同时，该系列具备的自动进针和头部滑动机构也在操作性上领先于其他竞争对手，这些特点使得该系列成为了一个长寿的产品。 随后的SPM-9600（2005年）、SPM-9700（2010年）、SPM-9700HT（2016年）基本都延续了SPM-9500的基本结构，通过不断改进控制器，提高分辨率，增加新功能，改善操作性。 在这个时期，商用原子力显微镜陷入了一个发展瓶颈，功能模式固化，应用领域受限，每个厂家都在不同的方向上尝试新的突破。有的厂商开始匹配半导体工业的需求，有的则在生命科学领域进行研发。 岛津也在思考什么才是原子力显微镜的发展根本？ 不识庐山真面目，只缘身在此山中。经过大量的思考和尝试，一切回归本源——分辨率。只有分辨率才是显微镜最核心的技术指标。于是在2014年推出了调频型原子显微镜SPM-8000FM并在2017年升级为SPM-8100FM。该系列最核心的技术是调频控制探针，利用频率对作用力的分辨率和反馈速度远高于振幅的特点，实现了在大气和液体环境中原子/分子级的分辨率。 利用调频模式对作用力的高分辨检测能力，还成功地将原子力显微镜的应用从固体表面观察拓展到固液界面的水合化和溶剂化作用。这项技术有助于电池和摩擦学等领域的前沿研究。 最近的十年，随着原子力显微镜对不同应用领域的拓展，新的技术和新的需求也在不断涌现。 岛津原子力显微镜将会如何应对新变化？又会开发什么新技术呢？ 一切尽在5月18日14:00由宏入微 顺手随心岛津SPM-Nanoa原子力显微镜在线发布会敬请期待！

|作者：彭金波1,2,† 江颖3,4,††(1 上海交通大学 李政道研究所 )(2 上海交通大学物理与天文学院 )(3 北京大学物理学院 量子材料科学中心 )(4 北京大学轻元素先进材料研究中心 )本文选自《物理》2023年第3期摘要：扫描探针显微镜主要包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜，其利用尖锐的针尖逐点扫描样品，可在原子和分子尺度上获取表面的形貌和丰富的物性，改变了人们对物质的研究范式和基础认知。近年来，qPlus型高品质因子力传感器的出现将扫描探针显微镜的分辨率和灵敏度推向了一个新的水平，为化学结构、电荷态、电子态、自旋态等多自由度的精密探测和操控提供了前所未有的机会。文章首先简要介绍原子力显微镜的发展历史和基本工作原理，然后重点描述qPlus型原子力显微镜技术的优势及其在单原子、单分子和低维材料体系中的应用，最后展望该技术的未来发展趋势和潜在应用。关键词：扫描探针显微镜，原子力显微镜，qPlus力传感器，高分辨成像，原子分辨01原子力显微镜的诞生显微镜是人类认识微观世界的最重要工具之一。光学显微镜的诞生让人们第一次看到了细菌、细胞等用肉眼无法看到的微小物体，从而打开了崭新的世界。然而，由于光学衍射极限的限制，光学显微镜的空间分辨率一般局限于可见光波长的一半左右(约300 nm)，很难用于分辨纳米尺度下更细微的结构，更无法用于观察物质最基本的原子结构排布。要想进一步提高探测的空间分辨率，一种途径是减小探测波的波长，比如扫描电子显微镜就是利用波长更短的电子波来进行成像。另一种途径是采取近场的局域探测，比如近场光学显微镜及其他基于局域相互作用探测的扫描探针显微镜。可以想象，要想获得更高的空间分辨率，就需要对样品的探测更加局域，即“探针”尖端足够尖，最好只有探针和样品最接近的几个原子能够发生相互作用，“感受”到彼此。这种相互作用可以是电子波函数的交叠或者原子作用力等。1981年，Binnig和Rohrer发明了扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope，STM)，STM是基于探测针尖和样品之间的隧道电流来进行空间成像的工具。由于隧道电流正比于针尖尖端几个原子与衬底原子的电子波函数的交叠，对针尖与样品之间的距离非常敏感，因此可以获得原子级的空间分辨率。STM的发明，使得人们可以在实空间直接观察固体表面的原子结构，因此荣获1986年的诺贝尔物理学奖[1]。然而，STM依赖于隧道电流的探测，无法用于扫描绝缘样品，因此使用范围受到了极大的限制。有趣的是，在早期的STM实验中，研究人员发现当针尖和样品比较近而出现隧道电流时，会同时产生较强的相互作用力。Binnig意识到通过测量针尖与样品原子之间的相互作用力也可用来对样品表面成像。1986年，他提出了基于探测针尖和样品之间原子作用力的新型显微镜——原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)[2]，并随后与Quate和Gerber搭建出了第一套可以工作的AFM[3]。三人于2016年获得了Kavli纳米科学奖。AFM是基于针尖与样品之间原子作用力的探测，不需要样品具有导电性，因而可以用于研究包括金属、半导体、绝缘体等多种材料体系，大大弥补了STM的研究局限。此外，AFM还可以在大气和液体环境中工作，具有很好的工况条件和生物体系兼容性。这些优势使得AFM成为纳米科学领域使用最广泛的成像工具之一。然而，AFM并不像STM那样在发明之初就获得了原子级分辨率，而是直到5年之后(1991年)，惰性固体表面的原子分辨成像才得以实现[4，5]。近年来，由于qPlus力传感器的引入，AFM的空间分辨能力得到了极大的提升。通过针尖修饰，人们可以更加容易地获得原子级成像，甚至实现氢原子和化学键的超高分辨成像。接下来，本文将简要介绍常见AFM的基本工作原理，然后着重介绍基于qPlus力传感器的AFM(简称qPlus-AFM)及其在各种体系中的应用，最后展望qPlus-AFM在物理和其他领域的潜在应用和面临的挑战。02常规AFM的原理和工作模式介绍2.1 AFM工作的基本原理目前使用最为广泛的是激光反射式AFM，其典型的结构示意图如图1(a)所示[6]。最核心的部分是力传感器，它一般是一个由微加工技术制备的可以振动的悬臂(常用的材料是硅或者氮化硅)，悬臂的末端有一个与悬臂梁一体的尖锐针尖，悬臂的背面镀有一层金属以达到镜面反射。当一束激光照射到悬臂上，光斑被反射到一个对光斑位置非常敏感的光电探测器上。当针尖扫描样品表面时，由于针尖与样品之间存在相互作用力，悬臂将随样品表面形貌的起伏而产生不同程度的弯曲形变，因而反射光斑的位置也会发生变化。通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。图1 AFM工作的基本原理[6] (a)典型激光反射式AFM的结构示意图；(b)超高真空下针尖与样品的相互作用力Fts及各成分力与针尖—样品距离z的关系2.2 原子力的分类在超高真空环境中，针尖与样品之间的相互作用力(Fts)与针尖—样品距离z之间典型的关系曲线如图1(b)所示。Fts大致可以分为长程力和短程力，长程力通常包括范德瓦耳斯力和静电力等，其衰减长度一般为几纳米或者几十纳米。短程力主要包括来自针尖和样品之间形成化学键的作用力和由于针尖—样品电子云交叠产生的泡利排斥力，其衰减长度一般约为0.1 nm左右。长程力对距离不敏感，很难分辨较小的表面起伏，要想获得较高的空间分辨率，需要让短程力的贡献占主导。在特殊的环境下，针尖和样品之间的相互作用力还包括机械接触力、毛细力、磁场力、卡西米尔力、水合力等。2.3 AFM的主要工作模式AFM有多种工作模式，通常分为静态模式和动态模式，后者包括非接触模式和轻敲模式两种(图2(a))。在静态模式下，针尖以拖拽的形式在样品表面扫描并记录表面的形貌起伏变化，因此也叫接触模式。悬臂的形变量为q=Fts/k (k为悬臂的劲度系数)，为了提高力探测的灵敏度，一般使用较软(k较小)的悬臂。为了避免较大的吸引力引起针尖发生“突跳”现象，静态模式主要工作在短程的排斥力区间(图2(b))，因此空间分辨率较高。但这种模式下针尖和样品之间的相互作用力较大，容易对较软的样品产生破坏。图2 AFM的工作模式[6] (a)接触模式、非接触模式和轻敲模式的示意图；(b)不同模式的大致工作范围(区分并不严格)；(c)悬臂在频率调制和振幅调制模式下的共振曲线。人们也经常把振幅调制模式称为轻敲模式，把频率调制模式称为非接触模式在动态模式下，悬臂被压电陶瓷励振器驱动以共振频率振动，当振幅A足够大使得回复力k∙Amax(Fts)时可以避免“突跳”现象的发生。动态模式有轻敲模式和非接触模式两种。轻敲模式类似于盲人使用手杖行走，其振幅比较大，一般从几纳米到一百多纳米，主要的力的贡献来源于针尖距离样品很近甚至接触的时候。这种模式对样品的损坏小，适用于不同的材料，是目前AFM使用最为广泛的模式。但是这种模式由于包含较多的长程力贡献，因此一般较难获得原子级分辨。此外，由于轻敲模式下振幅较大，测量振幅变化的信噪比较高，这种模式一般使用幅度调制(amplitude modulated，AM)，即以固定频率和振幅的激励信号来驱使悬臂振动，针尖和样品的作用力会引起悬臂振幅(及相对于激励信号的相位)的变化，将测量的振幅(或相位)的变化作为反馈信号可以获取样品表面的形貌信息(图2(c))。非接触模式的振幅一般是几纳米或埃的量级，针尖在振动过程中不会接触样品，因此可以避免对样品的扰动或者破坏。非接触式AFM除了可以使用AM模式外，还能以频率调制(frequency modulated，FM)模式工作。这其实与收音机的AM和FM模式原理类似，只是工作的频段不同。在FM模式下，悬臂保持相位和振幅不变，针尖和样品的作用力引起悬臂振动频率的变化，测量振动频率的变化可以得到样品表面形貌的信息(图2(c))。AM和FM模式下悬臂的共振频率变化的响应时间[7，8]分别约为τAM=Q/(πf0)，τFM=1/(2πf0)，其中Q是悬臂的品质因子，f0为悬臂的本征振动频率。由此可见，AM模式的响应时间会随Q因子的增加而线性变大，而FM模式的响应时间不受Q因子的影响。在超高真空低温环境中，悬臂的Q因子会比大气环境下增加几十倍，这使得AFM对力的敏感度及信噪比会有很大提升，但也会使得AM模式下AFM的响应时间大幅延长，导致扫描成像需要很长的时间。因此，AM模式(轻敲模式)主要被用于大气或者液体环境中。Q因子的增加对FM模式下AFM的响应时间没有影响，所以FM模式是超高真空环境下被广泛使用的工作模式，即保持高Q因子的同时还能保证较高的扫描速度。2.4 影响频率调制AFM噪音大小的因素在FM模式下，AFM直接探测的信号是针尖—样品相互作用力引起的悬臂频率偏移∆f，利用公式[9]可进一步转化为相互作用力Fts。频率偏移对应的相对噪音，因此可以用δkts的形式来表示FM模式下AFM测量中4种主要的噪音来源，分别为[10]热噪音：力传感器信号探测的噪音：AFM悬臂振荡的噪音：漂移噪音：其中kB为玻尔兹曼常数，T是温度，B是与扫描速度对应的带宽，nq是悬臂偏转信号探测的噪音密度，r 是频率的漂移速率，N是扫描图像的像素数。由上述式子可知，k越小，4种噪音都更小，因此在满足k∙Amax(Fts)的前提下，选择的k越小越好；Q越大，会使得第一和第三种噪音更小，但过大的Q会使得悬臂在FM模式下的稳定起振难以维持；振幅A越大，前三种噪音都更小，但A太大会引起短程力贡献大幅减小的问题(见下节)。03基于qPlus力传感器的非接触式AFM3.1 振幅对非接触式AFM分辨率的影响在FM模式下，AFM探测的频率偏移∆f，可以转化为权重函数w(z,A)和针尖—样品相互作用力的梯度的卷积[11]。如图3所示，w(z,A)是与振幅A和距离z相关的半椭圆，kts是力Fts与z曲线的梯度，也呈现为勺子形，只是最低点对应的距离z有所不同。可见，当振幅较大时，长程力对频率偏移的贡献占主导；随着振幅减小，短程力的贡献变大。当振幅与短程力的衰减长度(亚埃级)接近时，更容易得到原子级分辨率[10]。图3 长程力和短程力的贡献与AFM悬臂振幅A的关系[11]3.2 qPlus力传感器的发明传统AFM力传感器一般采用微加工制备的硅或者氮化硅悬臂，其劲度系数较小(约1 N/m)，力的探测灵敏度高。为了能探测短程力从而实现高空间分辨，往往需要让针尖靠近表面，从而导致“突跳”的发生。为了避免“突跳”引起的针尖损坏，需要悬臂在较大的振幅下工作。然而，大的振幅会使长程力的贡献增加，引起AFM的空间分辨率大大降低。图4 石英音叉和qPlus力传感器实物图 (a)，(b)手表中拆出来的石英音叉[12]；(c)第一代qPlus力传感器的实物图(图片来自德国雷根斯堡大学Giessibl课题组)[13]；(d)第四代qPlus力传感器的实物图(图片来自北京大学江颖课题组)[6]要想克服上述矛盾，实现在小振幅下工作的同时而不引起“突跳”的发生，则需要使用劲度系数k较大的悬臂。石英音叉是被广泛用于手表中的计时元件(图4(a)，(b))[12]，劲度系数高，可产生极高精度的振荡频率(一般为32—200 kHz)，且具有很高的Q因子。此外，其悬臂的形变可以利用石英的压电效应以电学的方式来直接探测，不需要激光系统，更容易兼容低温环境。早期，人们一般是在石英音叉的一个悬臂上粘上针尖来作为力传感器使用。然而，两个悬臂(相当于两个耦合的谐振子)由于质量和受力的不对称性导致Q因子大幅度降低，严重降低了AFM的信噪比。1996年，Giessibl将音叉的一个悬臂固定在质量很大的基底上，而在另一个自由的悬臂上粘上针尖以作为AFM力传感器，这样把两个耦合的谐振子变成单个独立的谐振子，可以保持较高的Q因子，且Q因子几乎不受针尖—样品相互作用力的影响。因此，这种力传感器被称为qPlus力传感器[13](图4(c))。目前，qPlus力传感器已经经过了四代的升级和改进，最新的版本是直接设计单个石英悬臂作为力传感器(图4(d))。表1 微加工硅悬臂力传感器与qPlus力传感器典型参数的对比[6]典型的qPlus力传感器与广泛使用的微加工硅悬臂力传感器的主要参数对比见表1。可以看到，qPlus力传感器悬臂的劲度系数高得多(一般约1800 N/m)，因此其力灵敏度一般情况下低于硅悬臂。然而，qPlus力传感器可以在非接触模式下，以极小的振幅(约100 pm)近距离扫描样品，而不会出现“突跳”现象。由于qPlus-AFM的振幅可以与短程力的衰减长度接近，因此短程力的贡献非常大，更加容易获得超高的空间分辨率。最近，田野等通过优化设计qPlus力传感器，将Q因子提升到140000以上，最小振幅小于10 pm，最小探测力小于2 pN，从而将qPlus力传感器的性能推向了一个新的水平[14]。此外，使用导电针尖，并通过单独的导线把经过针尖的电流提取出来，可以很容易地将qPlus-AFM与STM集成在一起，以同时发挥STM和AFM的功能。关于qPlus-AFM更为系统的介绍见综述[10，11]。3.3 获得超高空间分辨率的关键如前所述，针尖与样品间的相互作用越局域，空间分辨率越高。换言之，要想获得超高的空间分辨率，需要减小长程力的贡献，凸显短程力的贡献。要实现这一点，有两点非常关键：一是使用与短程力衰减长度接近的亚埃级的小振幅工作(详见3.1节)；二是让针尖更加尖锐，减少长程的范德瓦耳斯力的贡献。对于AFM成像来说，针尖末端几纳米的部分尤其是针尖末端的几个原子扮演着最重要的角色。为了让针尖末端更尖锐，常用办法是让金属针尖轻戳金属衬底或对针尖进行原子或者分子修饰，使得短程的泡利排斥力、化学键力或者高阶静电力占主导。3.3.1 短程的泡利排斥力当针尖与样品的距离足够近时，二者的电子云会发生交叠，产生很强的短程泡利排斥力。大部分时候，泡利排斥力是对固体及分子体系成像获得原子级分辨率的关键。2009年，Gross等[15]发现对针尖修饰一氧化碳(CO)分子后，可以实现对单个并五苯分子的化学键和结构(图5(a))的超高分辨成像(图5(c))，其分辨率已经超过了STM图像(图5(b))。这种超高空间分辨率的成像主要起源于CO针尖“尖锐”的p轨道与并五苯分子之间电子云交叠所导致的短程泡利排斥力。这种针尖修饰方法简单易行，成像分辨率高，使得qPlus-AFM成像技术迅速获得了广泛的应用。除了CO分子修饰外，人们还可以对针尖修饰其他种类的原子或者分子，以提高空间分辨率或者实现其他特定功能，例如Cl离子[16]和Xe分子[17]修饰的针尖以及CuO针尖[18]等。图5 基于泡利排斥力的单分子化学键成像[15] (a)并五苯分子的结构图；用 CO 分子修饰的针尖得到的 STM 图(b)和AFM图(c)3.3.2 短程的化学键力当针尖和衬底的化学活性都较强时，在近距离扫描过程中，二者可以形成局域的化学键，基于这种短程的化学键力，也可以获得超高的空间分辨率。典型的例子是半导体表面的AFM高分辨成像。例如，Giessibl等[19]发现在用AFM扫描Si(111)-(7×7)样品时，针尖会从样品上吸起一些Si团簇而被修饰，因此在扫描时容易与样品表面带悬挂键的Si原子形成共价键，而得到原子级分辨率。然而，这种成像方式对表面结构扰动较大，不适用于弱键和分子体系。3.3.3 短程的静电力通常所说的静电力主要来源于低阶静电力，比如点电荷与点电荷或者电偶极之间的静电力，其大小分别正比于r -2和r -3(r是二者作用的距离)，是较长程的相互作用力，因此空间分辨率较低。而在某些特殊的情况下，高阶静电力的贡献会起主要作用，而且是更加短程的，因此会导致分辨率的显著提升。一个典型的例子是对离子晶体(如NaCl，MgO，Cu2N等)的原子分辨成像。离子晶体表面周期性的正负电荷排布产生指数衰减的短程静电势分布[20]，针尖与离子晶体表面的短程静电力作用可以得到原子级分辨的成像[21]。图6 基于高阶静电力的水分子高分辨成像 (a)CO针尖示意图(上)及DFT计算得到的CO针尖的电荷分布(下)，呈现出明显的电四极矩特征[16]；(b)水四聚体的原子结构图(上)和AFM图(下)[16]。白色箭头和弧线分别指示水分子中氧原子和氢原子的位置；(c)Au(111)上双层二维冰的原子构型(上)和AFM图像(下)，其中可以分辨平躺(蓝色箭头)和直立(黑色箭头)的水分子[23]；(d)Au(111)表面由Zundel类型水合氢离子(黑色箭头)自组装形成的单层结构图(上)和AFM图像(下)[14]另一个例子是利用CO针尖对强极性分子的高分辨成像。彭金波等[16]利用CO修饰的针尖(图6(a)上图)扫描水分子四聚体时，发现即使在针尖距离较远时也能获得亚分子级的分辨率(图6(b))，且图像的形貌与水分子四聚体的静电势分布极其接近，从中可识别水分子OH键的取向。通过理论计算得知，CO修饰的针尖具有电四极矩(图6(a)下图)，与水分子电偶极之间存在高阶静电力相互作用，这是一种更为短程的静电力(正比于r -6)，因此能够在未进入泡利排斥区域时获得超高空间分辨。这种基于微弱的高阶静电力的成像技术可以区分水分子中氢、氧原子的位置和氢键的取向并且扰动极小。近年来，这个技术已被成功应用于亚稳态水分子团簇[16]、盐离子水合物[22]、二维冰[23](图6(c))及单层水中的水合氢离子[14]的非侵扰高分辨成像(图6(d))，将水科学的研究推向了原子尺度。04超高分辨qPlus-AFM的应用相对于传统的AFM，qPlus-AFM可以很方便地与STM集成在一起，并兼容超高真空和低温环境，而且可获得原子级甚至单个化学键级的超高空间分辨率。这些优势使得qPlus-AFM获得了广泛的应用，大大促进了表面科学和低维材料研究领域的快速发展。下面我们简要介绍qPlus-AFM在高分辨结构成像、电荷态和电子的测量、原子力的测量和操纵等方面的应用和最新进展。4.1 高分辨结构成像qPlus-AFM在高分辨结构成像方面得到了最为广泛的应用。Gross等[15]通过对AFM针尖进行CO修饰，首次实现对有机分子的化学结构的直接测量(图5)，触发了一系列后续研究，包括：分子之间的氢键相互作用[24]、分子化学键键序[25]、铁原子团簇[26]、化学反应产物识别[27]等。近年来，人们通过控制有机分子前驱体的表面化学反应可以精确制备低维纳米材料，如石墨烯、石墨烯纳米带等。STM虽然被广泛用于表征其电子态，但是难以直接确定其原子结构、局域缺陷和边界构型等。qPlus-AFM对原子结构的敏感及超高的空间分辨率，可以很好地解决这些问题。例如，Gröning等[28]利用扫描隧道谱成像观测到了石墨烯纳米带末端的拓扑末端态(图7(a)右)，并通过AFM成像确定了拓扑非平庸的石墨烯纳米带的原子构型(图7(a)左)。图7 qPlus-AFM在低维材料高分辨成像中的典型应用 (a)表面合成的石墨烯纳米带的AFM图(左)和0.25 V偏压下的dI /dV 图(右)[28]，四角较亮部分指示拓扑边缘态；(b)利用磁性针尖得到的绝缘反铁磁NiO表面的AFM图像(左)及沿[100]方向相邻两个Ni原子不同自旋取向对应的高度轮廓线(右)[34]此外，qPlus-AFM开始被用于绝缘体表面原子结构的高分辨成像，如KBr[29]，CaF2[30]等。在复杂氧化物表面方向，Diebold组观测了钙钛矿KTaO3(001)的表面重构[31]和TiO2(110)及In2O3(111)表面分子的吸附和分解[32，33]等。最近，qPlus-AFM被用于对绝缘反铁磁材料NiO的成像，而且使用磁性针尖成像时，由于超交换作用可以分辨不同Ni原子的自旋取向[34](图7(b))。4.2 电荷态和电子态的测量在电荷态测量方面，由于qPlus-AFM极高的信噪比和力灵敏度，Gross等[35]率先展示了单个原子的不同带电状态可以通过AFM直接测量(图8(a))。通过测量AFM的局域接触势差，单个原子和分子内部的电荷分布也可进行成像[36，37]。利用厚层绝缘的NaCl阻断分子与金属衬底之间的电荷转移，可对单分子进行多重电荷的充放电并控制分子间的电荷横向转移[38]。图8 AFM在电荷和电子态探测中的应用 (a)电中性和带负电的金原子的恒高AFM图(插图)及对应的频率偏移的轮廓线[35]；(b)三重激发态寿命的探测：左图为单个并五苯分子和近邻吸附的两个氧气分子的结构图(上)和AFM图(下)；右图为测量三重激发态占据比例随电压脉冲停留时间的变化，通过指数拟合可得猝灭后三重激发态的寿命仅0.58(5) μs[42]近些年，人们利用qPlus-AFM实现了对分子电子态的测量。例如，绝缘衬底上单分子的基态和激发态电子能谱被成功测量[39，40]。进一步，将AFM与纳秒电学脉冲结合，能直接对绝缘体表面上单分子在不同带电状态下电子转移的概率分布进行成像[41]。最近，qPlus-AFM被成功用于对分子自旋激发态的探测。彭金波等[42]发展了一套新颖的电学泵浦—探测AFM技术，首次实现了以原子级分辨率对单分子三重激发态寿命的探测并观测到了近邻氧气分子引起的三重态的猝灭(图8(b))。4.3 原子力的测量与操纵利用qPlus-AFM可以对原子作用力直接测量。Ternes等[43]变高度扫过表面上吸附的单原子并记录针尖—原子之间相互作用力引起的频率偏移(利用公式[9]可以将频率偏移∆f 转化成垂直作用力Fz)，直到原子发生移动，便可知移动原子所需的最小垂直作用力(图9(a))。进一步，可以将垂直作用力转化为相互作用势，将其对x坐标微分可以得到移动原子所需的最小水平作用力Fx 的大小。利用类似的方法，单个石墨烯纳米带在Au(111)表面的摩擦力已被精确测量[44]。最近，通过测量原子力曲线，人们揭示了针尖上CO分子与衬底上单个铁/铜原子的物理吸附向化学吸附的转变过程[45]。图9 qPlus-AFM在原子力测量和操纵中的应用 (a)测量移动Pt(111)表面(灰色小球)吸附的单个Co原子(红色圆球)所需的力[43]。由远及近测量沿原子上方(x方向，图(a-i))的频率偏移及垂直作用力Fz(a-ii)，直到在某个高度下开始引起原子移动(红色箭头所示)，从而可以得知移动原子所需要的最小垂直作用力(a-iii)；(b)利用AFM针尖和金刚石样品之间产生的局域强电场，通过“拉出—推离”方法耗尽NV色心附近的杂质电荷((b-i)，(b-ii))，使NV色心的自旋相干时间提升20倍(b-iii)[47]此外，qPlus-AFM也开始被尝试应用于绝缘载体中固态量子比特的操控。边珂等[46]利用金属针尖的局域强电场和激光成功诱导了金刚石氮—空位色心(NV center)的电荷态转换。进一步，郑闻天等[47]通过施加较大的偏压，在AFM针尖—样品之间产生强电场，改变电场的方向，利用“拉出—推离”方法来清除NV色心周围的未配对电子，实现了金刚石近表面电子自旋噪声的高效抑制，从而大幅提升了浅层NV色心的相干性(T2，echo时间提升20倍)及其探测灵敏度(图9(b))。05总结和展望基于qPlus力传感器的超高分辨AFM技术，有力促进了单分子、表面科学、低维材料等研究方向的发展，为人们理解物质的结构、电子态、电荷态、自旋态等提供了崭新的信息。这种超高分辨的AFM成像技术仍处于快速发展期，我们相信在接下来若干年它会成为物理、材料、化学、生物等学科领域的重要工具，并对这些领域产生深远的影响。5.1 应用展望首先，高分辨qPlus-AFM成像技术可以提供固体表面的原子结构和原子尺度电荷分布的信息。STM仅对费米能级附近的电子态或外层电子敏感，常常很难将几何结构和电子态的信息分离开，而qPlus-AFM测量的泡利排斥力对总电子态密度敏感，其中包含内层电子的信息，可以反映原子核位置。因此，STM与qPlus-AFM的结合将有助于人们更准确细致地确定材料的结构和电子态分布。另一方面，通过qPlus-AFM对静电力的探测，可实现以单个电荷的灵敏度和原子级的空间分辨率确定原子或者分子带电状态。利用开尔文探针力显微镜(KPFM)模式或者对短程静电力的成像，还可对材料表面的电荷分布进行高分辨表征，这种关于电荷的新信息将为人们在原子尺度研究各种电荷序带来巨大的便利，比如电荷密度波、高温超导中的电荷序、铁电材料中的电荷分布等。其次，qPlus-AFM也将为各种绝缘材料或者材料绝缘相研究打开全新的窗口。例如，高温超导体的母体一般是莫特绝缘体，STM很难成像。而qPlus-AFM可以用于研究高温超导体随着掺杂浓度的增加从莫特绝缘体向超导态和金属态转变的全过程，有助于理解高温超导的机制。如果将针尖进行自旋极化，还可研究各种磁性绝缘体(如NiO)或者材料绝缘相(如高温超导体的母体)的自旋分布等。此外，qPlus-AFM还将在以绝缘体为载体的固态量子比特研究中发挥独特的作用。借助qPlus-AFM强大的空间表征、操纵与局域调控能力，有望发展出表面/近表面量子比特的相干性提升、精密量子比特网络构筑、纳米尺度扫描量子传感等多种前沿技术。最后，qPlus-AFM在化学和生物领域也将发挥重要的作用。qPlus-AFM可以用来识别化学反应的产物，还可以被用于研究绝缘体(如NiO，Fe3O4)表面的化学反应及固液界面各种化学反应(如电化学过程)的机制。在生物大分子的结构成像方面，可以精准识别DNA、RNA、蛋白质分子等的构型和相互作用位点，揭示其结构与功能的关系。5.2 挑战和机遇qPlus-AFM技术本身面临的一些问题和技术瓶颈亟待解决。qPlus力传感器的悬臂劲度系数大，对力的灵敏度较低。Q因子受环境和温度影响大，从而严重影响信噪比。一种可能的途径是发展主动控制Q因子的技术[48]。qPlus力传感器共振频率低(一般约几十kHz)，成像速度慢，难以捕捉较快的非平衡态动力学过程，需要发展高速甚至超快的AFM技术。比如制备质量更小共振频率更高的AFM悬臂；或者将AFM与泵浦—探测技术相结合，将短的电压脉冲[42]或者超短的激光脉冲[49]耦合到qPlus-AFM中。利用qPlus-AFM对非平面的三维立体结构和分子的测量，还面临着挑战，发展新的算法(如利用机器学习)是一条可能的途径。此外，qPlus-AFM通常缺乏化学分辨，有时候很难仅从图像上获取样品的化学信息。一种途径是将其与具有化学分辨的光谱技术(如拉曼光谱)相结合[50]或者与磁共振技术结合。最后，qPlus-AFM面临的另一个巨大挑战是如何将其应用推广到溶液、生物体系等复杂的环境或体系中。大气溶液环境兼容的金刚石色心量子传感技术[51]可能为qPlus-AFM带来全新的应用场景和探测自由度。参考文献[1] Binnig G，Rohrer H. 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原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是一种具有原子级别高分辨率的新型表面分析仪器，它不但能像扫描隧道显微镜（STM）那样观察导体和半导体材料的表面现象，而且能用来观察诸如玻璃、陶瓷等非导体表面的微观结构，还可以在气体、水和油中无损伤地直接观察物体，大大地拓展了显微技术在生命科学、物理、化学、材料科学和表面科学等领域中的应用，具有广阔的应用前景。1 原子力显微镜的工作原理1.1 基本原理AFM 进行表面分析的基本原理如下：AFM 中有一由氮化硅片或硅片制成的对微弱力极敏感的弹性臂，微悬臂顶端有一硅或碳纳米管等材料制成的微小针尖，控制这一针尖，使其扫描待测样品的表面，这一过程是由压电陶瓷三维扫描器驱动的。当针尖与样品表面原子做相对运动时，作用在样品与针尖之间的力会使微悬臂发生一定量的形变。通过光学或电学的方法检测微悬臂的形变，转化成为图像输出，即可用于样品表面分析。简单地说，原子力显微镜是通过分析样品表面与一个微弱力敏感元件之间的相互作用力来呈现材料表面结构的。1.2 工作模式（一）接触工作模式扫描时如果控制针尖一直与样品表面原子或分子接触，那么这种工作模式称为接触模式。在这一过程中，针尖原子与样品表面原子之间力的作用主要表现为是两者相接触原子间的互斥力（大小约为10-8-10-11 N）。接触模式下工作的原子力显微镜可得到稳定的、高分辨率的样品表面图像。但是这种工作模式也有它的不足之处：当研究易变形的样品（液体样品）、生物大分子等的时候，由于针尖与样品原子直接接触，会使样品表面的原子移动、粘附于针尖或者发生较大形变，从而造成样品损坏、污染针尖或者结果中出现假象。（二）非接触工作模式扫描时如果控制针尖一直不与样品表面的原子或分子接触，那么这种工作模式称为非接触模式。非接触工作模式下由于扫描样品时针尖始终在样品上方5-20 nm 距离范围内，针尖与样品间的距离较接触模式远，所以获得的样品表面图像分辨率相对接触模式较低。但正是这一距离也克服了接触模式的不足之处，不再会造成样品的损坏、针尖污染等问题，灵敏度也提高了。（三）间歇接触工作模式扫描时如果控制针尖间歇性的与样品表面的原子或分子接触，那么这种工作模式称为间歇接触模式，也称为轻敲模式，常通过振动来实现针尖与样品的间歇性接触。该模式下微悬臂的振动是由磁线圈产生的交流磁场直接激发的，针尖与样品表面原子作用力主要是垂直方向的，不再受横向力的影响。间歇接触工作模式集合了接触与非接触模式的优点，既减少了剪切力对样品表面的破坏，又适用于柔软的样品表面成像，因此特别适合于生物样品研究。2 原子力显微镜的组成AFM 的硬件系统由力检测部分、位置检测部分和反馈控制系统三部分组成。图1 所示为AFM 的工作原理图，从图中可以看出，AFM 就是通过集合以上三个系统来将样品的表面特性反映出来的：在AFM的工作系统中，使用由微小悬臂和针尖组成的力检测部分来感应样品与针尖间的作用力；当微悬臂受力形变时，照射在微悬臂末端的激光会发生一定程度的偏移，此偏移量反射到激光检测器的同时也会将信号传递给反馈控制系统；反馈控制系统根据接受的调节信号调节压电陶瓷三维扫描器的位置，最终通过显示系统将样品表面的形貌特征以图像的形式呈现出来。3 样品制备3.1 样品要求原子力显微镜研究对象可以是有机固体、聚合物以及生物大分子等，样品的载体选择范围很大，包括云母片、玻璃片、石墨、抛光硅片、二氧化硅和某些生物膜等，其中最常用的是新剥离的云母片，主要原因是其非常平整且容易处理。而抛光硅片最好要用浓硫酸与30%双氧水的7∶3 混合液在90 ℃下煮1h。利用电性能测试时需要导电性能良好的载体，如石墨或镀有金属的基片。试样的厚度，包括试样台的厚度，最大为10 mm。如果试样过重，有时会影响Scanner的动作，请不要放过重的试样。试样的大小以不大于试样台的大小（直径20 mm）为大致的标准。稍微大一点也没问题。但是，最大值约为40 mm。如果未固定好就进行测量可能产生移位。请固定好后再测定。3.2 样品制备粉末样品的制备：粉末样品的制备常用的是胶纸法，先把两面胶纸粘贴在样品座上，然后把粉末撒到胶纸上，吹去为粘贴在胶纸上的多余粉末即可。块状样品的制备：玻璃、陶瓷及晶体等固体样品需要抛光，注意固体样品表面的粗糙度。液体样品的制备：液体样品的浓度不能太高，否则粒子团聚会损伤针尖。（纳米颗粒：纳米粉末分散到溶剂中，越稀越好，然后涂于云母片或硅片上，手动滴涂或用旋涂机旋涂均可，并自然晾干）。4 原子力显微镜的应用4.1 在材料科学及化学中的应用目前，AFM 在材料科学中主要应用于材料的表面结构、表面重构现象以及表面的动态过程（例如扩散现象）等方面的研究，表面科学的中心内容是研究晶体表面的原子结构，例如从理论上推算出的金属表面结构往往不如实际复杂，借助原子力显微镜可以直观地观察材料的表面重构现象，有助于理论的进一步完善。4.1.1 在探测材料样貌方面的应用利用原子力显微镜来观测材料的样貌进行成像的时候，材料与探针之间出现相应作用力改变能够很好的反映出材料表面的三维图像。可以通过数值分析出材料表面的高低起伏情况，因此，在利用原子力显微镜对材料进行图像分析的时候，可以有效地发现材料表面的颗粒程度、粗糙程度、孔径分布以及孔的结构等。可以利用这种成像的方式把材料表面的情况形成三维图像进行模拟显示，促使形成的图像更加利于人们观察。4.1.2 在粉体材料中的应用在对粉体材料进行分析和研究的时候，可以利用原子力显微镜来逐渐分析原子或者分子中尺度，从而保证可以准确观测晶体以及非晶体的位置、形态、缺陷、聚能、空位以及不同力之间的相互作用。一般来说，粉体材料基本上都是使用在工业中的，但是现阶段有关于检测粉体材料的方法还是十分少的，研制样品也相对比较困难。原子力显微镜实际上是一种新兴的检测方式，具有操作方便、制样简单等特点。很多专家学者认为，人们使用化学方式研制出了SnS粉末，利用原子力显微镜把涂在硅基板上的材料进行成像，从图像上我们很容易发现此类材料具有分布均匀的特点，每一个大约15nm。4.1.3 在晶体材料中的应用专家学者经过不断研究和分析得到了很多晶体生长的模型，但是经过更加深入的分析和研究发现这些理论模型和实际情况是否相同还是具有一定差异，也逐渐成为学者讨论和研究的重点，所以人们希望通过显微镜来监测和观察生长过程。虽然，使用传统的显微镜已经观测出一定的成果，但是由于这些光学显微镜、激光全息干涉技术等存在分辨率不是十分高、实验条件不是很好以及放大不足等问题，使得研究过程出现很大困难，导致不能观测纳米级的分子等。原子力显微镜的发展，为科学家们研究纳米级分子或者原子提供了依据，也成为了专业人士研究晶体过程的重要方式。利用这种显微镜具有的能够在溶液中观察以及高分辨率等特点，可以保证科学家们能够很好的观测到晶体生长过程中的纳米级图像，从而不断分析和掌握材料的情况。4.2 在生物学中的应用AFM 能在气体、液体中无损伤地直接观察物体，可对生物分子在近生理条件下进行检测，是生命科学研究中的有力工具。目前，在生命科学中AFM 主要应用于对细胞、病毒、核酸、蛋白质等生物大分子的三维结构和动态结构信息进行研究。4.2.1 对细胞膜表面形态的研究细胞膜有重要的生理功能，它既使细胞维持稳定代谢的胞内环境，又能调节和选择物质进出细胞。AFM 能够观察到细胞膜表面的超微结构，因此它可以用来观察正常细胞与病变细胞的细胞膜，发现两者的异同，为临床病理诊断提供新的视角和方法。4.2.2 测定细胞弹性以及力学性质病变这一生理过程与细胞的形态和力学性质有关。细胞形态学的变化会影响和反映细胞性质、功能以及细胞微环境的改变。健康细胞与病理状态的细胞在机械性能上是完全不同的。抓住这一点，可以利用AFM 测量出的细胞弹性性质识别癌细胞，以及辅助诊断红细胞相关的各种疾病等，从细胞层面上对各种疾病进行早期诊断和治疗。4.2.3 检测活细胞间相互作用AFM 也可以对细胞间的相互作用进行观察。将一种细胞连接在AFM 扫面探针的尖端，使针尖功能化，对另一种单层排列的细胞进行扫描就可以进行细胞间相互作用的研究。4.2.4 观察动态生物过程AFM也是观察细胞生物过程非常有效的工具。研究痘病毒和活细胞，得到了痘病毒感染活细胞全过程的AFM 图。通过活着的细胞观察子代病毒颗粒，并用AFM 在水溶液环境中在分子水平分辩出有规则重复的烙铁状结构和准有序的环状结构。观察中发现: 在感染前后最初几小时，细胞并无显著变化 子代病毒粒子沿细胞骨架进入细胞内部，还有胞吐、病毒颗粒聚集等现象。通过AFM 图像可以看出哑铃状小泡逐渐形成、消失并在细胞膜表面形成凹陷的全过程。4.2.5 观察生物大分子之间相互作用在生物体内，DNA 与蛋白质间的相互作用有着同样举足轻重的地位。在转录、翻译的过程中，DNA 与特定的蛋白质如解旋酶、聚合酶、启动因子等的结合就决定着生命活动的开启。Gilmore 等利用AFM 以每500 ms 拍摄1 次的速度，清晰地观察到了蛋白质在DNA 上的结合情况。因此，AFM 可以真正帮助我们深入地“看到”生命活动的本质。4.2.6 测定细胞电学性质细胞不论在静止状态还是活动状态，都会产生与生命状态密切相关的、有规律的电现象，生物电信号包括静息电位和动作电位，其本质是离子的跨膜流动。因此，研究细胞的电生理学也成为了生命科学领域一个重要的分支。在AFM 系统中增加了导电模块，在迎春花细胞、酵母菌细胞等样品和探针之间加一个偏压，在扫描的过程中，同时获得样品的表面形貌和电流像，且在成像的同时检测探针和细胞样品之间的电流，得到样品表面形貌和局域电流分布及两者之间的对应关系，从而实现AFM 在纳米尺度上对细胞样品电学特性的分析检测。参考文献[1]高翔.原子力显微镜在材料成像中的应用[J].化工管理,2015(08):67.[2]王明友,王卓群,焦丽君.原子力显微镜在表面分析中的应用[J].邢台职业技术学院学报,2015,32(01):75-78.[3]万旻亿.原子力显微镜的核心技术与应用[J].科技资讯,2016,14(35):240-241.[4]鞠安,蒋雯,许阳,杨升,常宁,王鹏,顾宁.原子力显微镜在生命科学领域研究中的应用进展[J].东南大学学报(医学版),2015,34(05):807-812.

原子力显微镜（AFM）的基本原理虽然不难，但是要在纳米尺度上得到可靠的的数据就要依赖周密的仪器设计，而这通常就带来了繁琐的使用界面。用户经常需要面对复杂的设定，因此他们需要AFM技术的知识储备，并且还要花费大量的测量时间。然而，复杂的仪器一定意味着难用吗？我们来找找在选择AFM的时候您需要考虑的几个方面！快速而简单的探针安装在AFM测量之前，需要安装微悬臂探针。探针悬臂非常小-通常是50到300微米长，20到60微米宽，2到8微米厚。探针安装通常需要经验：不仅操作起来费劲（并且如果安装时候掉针还会造成浪费），而且如果装得不合适还会导致激光无法对准。出现这种情况的话，用户就不得不回过头去重复探针更换的步骤，重新安装探针（或装一根新的探针），并且重新开始激光调节步骤，十分繁琐。这就是为什么探针安装的步骤应该要快速，简单和可靠。找出这样的一款现代化的AFM仪器，它能够提供解决这个问题的新颖方法。探针安装应该是快速可靠的而不是繁琐费时的。自动激光对准在探针放入仪器后，就要进行激光的对准。为了使得AFM测量准确和可靠，激光对准至关重要。糟糕的激光对准可能降低光杠杆的灵敏度，引起假像，甚至成不了像。然而，通常的手动激光对准很费时而且难操作。自动激光对准找出这样一款AFM，它能够提供完全自动化的激光对准功能。现代化的AFM仪器仅仅需要在控制软件中点击两次鼠标就能完成激光的自动对准。侧视相机监控进针过程AFM设计的一个重要难题是建立一套能控制扫描前探针靠近样品表面的系统，使得探针不会撞到表面而损坏。但是通常的进针系统，用户必须要很小心地控制，使探针安全靠近样品表面。在透明样品，暗样品，以及复杂几何结构的样品上，进针控制尤其有挑战性，其原因是探针和样品间的距离很难估计。进针过程带有很大的撞针风险。侧视相机监控探针靠近新一代的AFM集成了侧视相机，使得用户能看到探针相对于表面的准确的位置，从而安全地移动探针靠近表面。随后软件开始自动进针过程-几秒钟后就可以进入扫描的状态了。测量时间短时间对每个人都很重要。使用AFM的时候，需要花费一定的测量时间。用户操作AFM通常需要5步：1. 安装探针2. 放置样品3. 激光对准4. 移动样品到测试位置5. 进针并开始测量。对那些需要繁琐的探针更换，手动激光对准，没有侧视相机，以及缺少自动化的AFM仪器，这5个步骤至少要用去一阵子时间。再加上，如果使用者不是AFM的熟练工（事实上这很正常）或者面对各种不同类型的样品，就需要更长的时间来完成这些步骤。找出高度自动化的AFM，减少测量时间，这样您就能专注于更重要的内容。 解耦xy和z扫描器压电陶瓷必须要用这样的方式构造，使得它们能够沿x，y和z轴移动探针（或样品）。最常用的三维扫描器结构之一是管状的扫描器-主要因为它易于制造。但是它有一些缺点：由于它的几何结构，管状扫描器易于产生很多非线性，尤其是在大范围扫描时会有弧形扭曲。扫描器的弧形扭曲来源于它弯曲的运动轨迹，而这些弯曲或者弧形会体现在测得的高度图上。解耦xy和z扫描器找出具有xy和z方向解耦扫描器的AFM。这种扫描器设计，xy扫描器位于样品下而z扫描器位于扫描头上以减少扫描器之间的串扰。您需要一台满足所有上述方面的原子力显微镜吗？试试新一代AFM: 安东帕ToscaTM 400。自动化被植入到Tosca™ 400的每个操作层级，效率的提升和简化的AFM操作将令您受益。

美国加利福尼亚州当地时间2011年5月2日，布鲁克（Bruker）发布了一款具有创新性和独特外形的原子力显微镜新品——Dimension FastScanTM，该产品在不牺牲纳米级分辨率的前提下提高显微镜成像速度方面取得了重大突破。Dimension FastScanTM比其他AFM扫描速度提高了数百倍，能够在数秒或数分钟内，而不是数小时或数天内得出结果，是世界上扫描速度最快的高分辨原子力显微镜。　　鉴于在纳米尺度上观察与了解材料的需求在不断增加，作为世界上使用最广泛的原子力显微平台的最新成员，Dimension FastScan采用了数项创新技术，使快速扫描速度、图像的高分辨率与精度达成完美平衡。基于成功设计的原子力显微镜架构，Dimension FastScan是一个尖端扫描系统（tip-scanning），能够提供空气或液体中的大、小样品的测量。　　“Dimension FastScan实现了布鲁克在原子力显微镜技术上的目标之一，该仪器将使我们的用户能更有效率地工作，同时又不会丢失图像的分辨率与精度。在这样短的时间内完成高质量的图像，这是一项突破。”布鲁克纳米表面部总裁Mark R. Munch博士说到，“采用38项专利技术，Dimension FastScan具备了以往研究级原子力显微镜不能达到的更高的扫描速度，这是它的独特之处。” “通过提供更有效获得纳米级信息的途径，Dimension FastScan 表示了布鲁克对科学界的承诺。”布鲁克的原子力显微镜业务副总裁与总经理David V. Rossi补充到，“我们全新的Dimension FastScan，其与ScanAsyst、PeakForce QNM等其他的布鲁克旗下的原子力显微镜产品结合起来，显著提高工作效率，同时也提供纳米级的新的定量信息。这将使布鲁克的原子力显微镜系列产品更易于被学术界和工业界使用。”

人类认识真理的过程就像剥洋葱，由表及里一层层递进。 反映到对化学反应过程的认识，一开始，人们通过物质的形、色等外在表象认识化学反应。正如现代化学之父拉瓦锡重复的经典“氧化汞加热”实验一样，氧化汞由红色粉末变为液态的金属汞，这个显著的变化意味着反应的发生。即使到了近现代，仪器分析手段越来越多样，我们做常用的分析手段也是通过物质外在状态的变化进行观察，或者利用各类显微镜及X射线衍射仪观察物质的结构变化。 拉瓦锡之匙拉瓦锡对化学反应中物质的质量、颜色、状态变化的观察，犹如在重重黑暗中，找到了打卡化学之门的那把钥匙。 元素周期表 到19世纪，道尔顿和阿伏加德罗的原子、分子理论确立，门捷列夫编列了元素周期表。原子、分子、元素概念的建立令化学豁然开朗 自从用原子-分子论来研究化学，化学才真正被确立为一门科学。正是随着对不同元素的各种微粒组合变化的认识发展，化学的大门终于被打开。伴随金属键、共价键、离子键、氢键等各种“键”概念的提出，人们逐渐认识到各种反应的本质是原子或分子等微粒间的力学变化。于是，对反应的观测需要微观下的力学测量工作。 作为专门利用极近距离下极小颗粒间作用力工作的原子力显微镜，此事展现了自身巨大优势。无论是直接测试不同分子间的作用力，还是利用力的测量完成表面形貌的表征，原子力显微镜以高分辨率出色地完成了任务。 对于一些生物样品，例如脂质膜，因为其是由磷脂分子构成的单层或双层结构，极其柔软，因此其表面作用力极其微弱。从测试曲线上可以看出，脂质膜对探针的力只有约1pN，但是原子力显微镜的测试曲线上可以很清晰地捕捉到这个变化。 有趣的是，人们对真理的发掘，是由表及里的。但是利用原子力显微镜对化学反应本质的发现，却是由内而外的。 原子力显微镜基本是被作为一种表面分析工具使用的。这使其只能用来观察反应前后固相表面的结构变化，或者通过固相表面的各种属性，如机械性能、电磁学性能等侧面论证反应的发生。而要真正观察到反应的过程，是要对界面层进行观测的。因为几乎所有的反应，都是发生在两相界面处的，表面只是最终反应结果的呈现。 在界面处，反应发生时，原有的原子/分子间的作用力——也就是各种“键”，因为电子的状态变化（得失或者偏移）无法维持原有的稳定性，从而导致了原子/分子的重新排列，直到形成了新的力学稳定态——也就是新的“键”形成后，反应结束。这个过程的核心就是原子/分子间的“力的变化”。 反应的本质——微粒间力的分分合合 当化学科学的车轮推进到纳米时代，当探索的前锋触摸了两相界面，当理论的深度深入到动力学的研究。原子力显微镜是否能够当此重任呢？ 能。但是需要一番蜕变。 界面处的力梯度有两个特点。一是更为集中，一般在0.3nm-1nm左右的范围内会有2-4个梯度变化；二是更为微弱，现在的原子力显微镜可以有效捕捉皮牛级的力变化，但是在表征界面时依然分辨率不足，需要的分辨率要提高1-2个数量级。 新的需求引导了新的技术蜕变。调频模式的成熟化，几乎完美应对了界面处的力梯度特点。一方面，只有几个埃的振幅可以有效对整个界面区进行表征，另一方面，检测噪音压低到20 fm/√Hz以内，保证了极高的分辨率。 岛津调频型原子力显微镜SPM-8100FM 例如对固液界面的观察。我们都知道，因为在固液界面处，因为液体分子和固体表面分子的距离不同，会形成不同的作用力，如氢键、偶极矩、色散力等。因此形成的液体分子的堆积密度会有不同。这种液体分子的分层模型，是润滑、浸润、表面张力等领域的底层原理。但是长期以来，这些理论只存在于数理模型和宏观现象解释之中，没有一个合适的直观观测工具。 界面观测之牛刀小试 岛津的SPM-8100FM的出现，将固液界面的高效表征变成了现实。上图右侧就是云母和水的界面处，水分子的分层结构，在约0.6nm的范围内，可以清楚看到3个分层。 具体到现实应用中，对表面润滑的研究很适合采用这种分析工具进行定性定量化测试。使用SPM-8100FM对润滑油中氧化铁表面上所形成的磷酸酯吸附膜进行分析。 图示为4组对照实验，分别是仅使用PAO（聚α-烯烃）和添加了不同浓度的C18AP（正磷酸油酸酯）的润滑油。 在未添加C18AP的PAO中，观察到层间距离0.66 nm的层状结构。通过这一层次可以看出，PAO分子在氧化铁膜表面上形成了平行于表面的平坦的覆层。随着C18AP浓度不断增加，从0.2 ppm到2 ppm后，层状结构开始消失，最后在20 ppm和200 ppm时完全观察不到。层状结构消失表明PAO分子定向结构被C18AP取代，在基片上形成了吸附膜。随着C18AP浓度不断增加，氧化铁基片表面逐渐被吸附膜覆盖。 对照使用摆锤式摩擦力测试仪测量获得的钢-润滑油-钢界面的摩擦系数。在添加C18AP浓度到达20 ppm后，PAO的摩擦系数大大降低。和微观界面表征的结果非常吻合。 由此可见，使用SPM-8100FM对润滑油-氧化铁界面实施滑动表面摩擦特性分析评估，可有效加快润滑油开发进度。 技术的发展推动了科学的进步，科学的发展也渴求更多的技术发展。原子力显微镜表征技术由表面向界面的延伸，一定会有力地推动对化学由表象向本质的探索。岛津将一如既往地尽其所能，提供帮助。 本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

2016年6月30日，日立原子力显微镜应用技术研讨会在上海举行，来自北京、上海、南京等地区的20多位专家学者参加了此次技术研讨会。会议前后，日立原子力显微镜应用工程师在中科院上海硅酸盐研究所对用户进行了系统的应用培训。　　此次研讨会邀请到了中科院上海硅酸盐研究所的曾华荣研究员做了题为《高分辨扫描探针压电-声学-热学显微术及其应用研究》的报告，介绍了其在铁电材料研究中对于日立高分辨型原子力SPA-400及日立环境型原子力显微镜AFM5300E的应用心得。日立高新北京分公司总经理加藤博司先生、天美公司上海分公司总经理顾家晖先生分别致辞，日立原子力显微镜全球应用中心山冈武博博士，日立高新北京分公司罗琴女士，天美公司原子力应用工程师周海鑫博士等人参与了研讨会。　　日立高新北京分公司总经理加藤博司先生在致辞中介绍了日立原子力的发展历程，并对日立原子力显微镜的发展规划向与会学者做了介绍。天美公司上海分公司总经理顾家晖先生对于日立原子力显微镜的市场发展情况进行了回顾，并对日立原子力显微镜日后的发展表达了美好的祝愿。　　中科院上海硅酸盐研究所曾华荣教授结合其在铁电畴领域的应用，对压电响应显微术、扫描探针声学显微术、扫描热学显微术、扫描热电显微术等先进探针显微术的特点进行了介绍，扫描探针压电-声学-热学联用研究的方式引起了与会学者的极大兴趣。　　日立原子力显微镜全球应用中心山冈武博博士针对日立环境可控型原子力显微镜AFM5300E的特点，介绍了AFM5300E在力学、磁学、电学等方面的应用。AFM5300E可调节密闭样品仓中的温度、湿度，并可使样品处于真空或者气氛保护条件下进行原子力测试。山冈博士将日本运用AFM5300E取得的最新科研成果向大家做了分享。　　天美公司原子力应用工程师周海鑫博士介绍了日立原子力的产品线，对于高分辨型AFM5100N、环境可控型AFM5300E以及最新发布的全自动化原子力显微镜AFM5500M的特点和应用做了详细的介绍。　　最后，日立高新电镜应用工程师罗琴女士对于日立扫描电镜-原子力的联用方案进行了介绍。日立高新在扫描电镜领域拥有丰富的经验，原子力显微镜产品线的加入实现了SEM-SPM同位置同气氛保护方面的联用，为科研工作者提供了更加丰富的科研解决方案。日立高新与天美公司会继续以支持中国科技发展为己任，不断开发高性能仪器，为广大科研工作者提供更加优质的服务。关于天美：　　天美(控股)有限公司(“天美(控股)”)从事表面科学、分析仪器、生命科学 设备及实验室仪器的设计、开发和制造及分销 为科研、教育、检测及生产提供完整可靠的解决方案。继2004年於新加坡SGX主板上市后，2011年12月 21日天美(控股)又在香港联交所主板上市(香港股票代码1298)，成为中国分析仪器行业第一家在国际主要市场主板上市的公司。近年来天美(控股)积极 拓展国际市场，先后在新加坡、印度、澳门、印尼、泰国、越南、美国、英国、法国、德国、瑞士等多个国家设立分支机构。公司亦先后收购了法国 Froilabo公司、瑞士Precisa公司、美国IXRF公司、英国 Edinburgh Instruments公司等多家海外知名生产企业和布鲁克公司Scion气相和气质产品生产线，加强了公司产品的多样化。　　更多详情欢迎访问天美(中国)官方网站：http://www.techcomp.cn

纳米材料是近十余年来新兴的功能材料类型，一般而言纳米材料在指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度，即100 nm以下，或是由此尺度的单元构成的材料。100nm相当于不到1000个原子紧密排列在一起，在这个尺度下，材料表现出了不同于宏观状态的力、光、电、磁、热等属性。因此成为化学和材料学科中研究非常广泛，进展很快的领域。 在纳米尺度下，对此类材料的形貌表征普通的光学观察方式不再适用。因此常用的是电子显微镜和原子力显微镜。而原子力显微镜因为具备三维高分辨表征能力而且环境适用范围广，被广泛运用于纳米材料的分析与检测。 纳米材料按维度可以分为零维材料、一维材料、二维材料、三维材料。 零维材料是指电子无法自由运动的材料，如量子点、纳米颗粒与粉末等。 硅量子点太阳能电池形貌及粒度分布 GaAs (100)衬底上生长的In0.7Ga0.3As量子点 对于零维材料，普遍关注的是颗粒的粒径以及粒径分布情况。从以上两个用案例可以看出，原子力显微镜可以很方便地获得图像及粒径统计数据。 一维材料是指电子只能在一个方向上自由运动的材料，如纳米线、量子线。早期研究较为深入的一维材料是碳纳米管。 单壁碳纳米管 上图是对单壁碳纳米管的观测。不仅可以直观地看到其形貌，而且可以通过断面测量获得管径数值。 同样的，如果视野中观察到了多条纤维，原子力显微镜的分析处理软件也可以对其进行统计分析。 2004年曼彻斯特大学Geim 小组成功分离出单原子层的石墨材料——石墨烯，由此带动了对二维材料的研究。主要包括石墨烯、拓扑绝缘体、过渡金属硫系化合物、黑磷等。 其中研究较为深入的是石墨烯。由于其各种优良属性均依赖于单层或少数几层。所以对石墨烯的基本且重要的测试要求就是对层数的测量。 在这一点上，原子力显微镜具有很好的优势，也因此被列入了国家标准（GBT 40066—2021 纳米技术氧化石墨烯厚度测量——原子力显微镜法）。 氧化石墨烯图像 GBT 40066—2021中规定的厚度计算公式 上图计算得到的计算数据，可知该片氧化石墨烯厚度为0.630±0.039nm，由此可推测这片氧化石墨烯为单层石墨烯。 综上所述，在纳米材料领域，原子力显微镜因其高分辨而且是三维成像的属性，成为各类纳米材料常用的分析工具。 岛津原子力显微镜历经三十余年的发展与积累，应对各种需求，不断推出新型号和新功能，为科学研究和技术发展提供得力的工具。本文中所有图片均为岛津原子力显微镜获得。 本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

新品：原子力显微镜AFM100系列AFM100系列原子力显微镜在提高操作便利性基础上，实现了更低噪音，更高分辨率和更低的漂移量，可用于科学研究开发以及质量管理。系列包括高性能AFM100 Plus及其入门型号AFM100两种机型。通过使用AFM100/100Plus，任何人都能轻松且稳定地获取可靠数据，从而完成从科学研究用途到质量管理中的日常作业。特别是AFM100 Plus，其用途广泛，可用于3D形貌观察、粗糙度分析、物性评估等领域。并可配置AFM Marking功能，实现与电子显微镜同一位置观察。 产品特点高性能：极低系统噪音，低漂移；高效率及操作简易化：Pre-mount cantilever预装探针系统，Realtune II参数自动优化，Recipe菜单化测量；电镜联用：AFM Marking功能，实现与日立电子显微镜的联用；高效的支持：自诊断功能，离线软件。 第三届原子力显微镜网络研讨会日期：8月18日时间：9:30-10:00题目：日立新一代AFM100系列原子力显微镜报告人：日立科学仪器(北京)有限公司 高级工程师 刘金荣 想了解更多产品信息，请点击链接，报名参与！https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/AFM2021.html公司介绍：日立科学仪器（北京）有限公司是世界500强日立集团旗下日立高新技术有限公司在北京设立的全资子公司。本公司秉承日立集团的使命、价值观和愿景，始终追寻“简化客户的高科技工艺”的企业理念,通过与客户的协同创新，积极为教育、科研、工业等领域的客户需求提供专业和优质的解决方案。 我们的主要产品包括：各类电子显微镜、原子力显微镜等表面科学仪器和前处理设备，以及各类色谱、光谱、电化学等分析仪器。为了更好地服务于中国广大的日立客户，公司目前在北京、上海、广州、西安、成都、武汉、沈阳等十几个主要城市设立有分公司、办事处或联络处等分支机构，直接为客户提供快速便捷的、专业优质的各类相关技术咨询、应用支持和售后技术服务，从而协助我们的客户实现其目标，共创美好未来。

表面分析技术包括飞行时间二次离子质谱，扫描探针显微镜，X射线光电子能谱等技术，在生物医药的生产和研发过程中，对于药物，细胞等表面和一定深度的成份信息的表征具有非常重要的意义，也是生物医药领域必不可少的分析表征手段。基于此，仪器信息网网络讲堂将于2022年9月23日举办“表面分析技术在生物医药领域的应用”网络研讨会，特邀5位专家带来精彩分享，聚焦AFM、XPS等最新应用进展！为相关从业人员搭建沟通和交流的平台，促进相关仪器技术及应用的发展。日程全览，点击报名时间专家09:30韩东（国家纳米科学中心 研究员）主要研究方向：纳米生物医学成像与表征、生命复杂流体与管理、生物力药理学。《生物型原子力显微镜表面分析技术在活体样品上的应用》报告摘要：21年经验，纯干货分享！纳米成像表征技术的源头应用与适应性改造生物活体纳米成像、表征设备功能群针对关键科学问题的新手段、新技术研发关于细胞的力学模型10:00樊友杰（布鲁克 应用工程师）《高速原子力显微镜在生物表面表征中的应用》报告摘要：快速原子力的发展克服了传统原子力速度上的局限，高空间分辨率的同时在毫秒尺度上研究生化动力学过程成为可能。介绍商业化的视频级速度的生物弄原子力显微镜在生物样品领域里的成像，在使用非常小的作用力同时得到亚分子级结构的分辨率。介绍快扫型原子力在探索不同的天然和人工聚合物动力学过程的一些实例，还有原位研究细胞膜表面的动力学过程，及二维光敏蛋白质晶体细菌视紫红质的动态过程。介绍JPK最新的力学成像模式“定量成像模式（QI™ ）”Bruker生物弄原子力的全针尖扫描模式可以从结构上非常好地与现代主流倒置显微镜进行无缝偶合。10:30王化斌(中科院重庆绿色智能技术研究院 研究中心主任/研究员)中国科学院首批岗位特聘研究员，重庆市高分辨三维动态成像检测工程技术研究中心主任；长期从事光谱、成像及力学方面的研究工作。《原子力显微镜在生物样品成像和力学测量中的应用》报告摘要：介绍原子力显微的不同成像模式及应用实例分享原子力显微镜不同力学分析技术及应用情况11:00蔡斯琪（岛津企业管理（中国）有限公司 产品专员）《XPS表面分析技术在生物医药领域中的应用》报告摘要：X射线光电子能谱仪是表面分析领域中一种崭新的分析技术，通过测量固体样品表面约10nm左右被激发出光电子的动能，进而对固体样品表面的元素成分进行定性、定量及价态分析。报告中主要介绍XPS原理、技术特点以及XPS在生物材料及医疗器械等领域的应用，旨在让科研工作者对XPS表面分析技术在生物医用领域的应用有所了解。11:30周江涛（苏黎世联邦理工学院 助理研究员）主要研究兴趣有原子力显微镜及相关显微成像分析技术，在生物纳米纤维材料的形成机理和应用的研究。《原子力显微镜在成像及与光热谐振结合的微纳表面化学分析技术》报告摘要：简要原子力显微镜的原理及应用示例重点介绍原子力显微镜与可见/红外光结合的光热谐振技术，以及他们在纳米尺度的高灵敏度表面化学结构分析点击图片，即可免费参会，和嘉宾线上互动！

岛津原子力显微镜铅酸电池 以铅酸电池和锂离子电池为代表的二次电池，为了提高充放电特性、耐久性等性能，一般会向电解液中添加添加剂。到目前为止，已有种类繁多而且性能优异的添加剂被广泛使用到各类二次电池中。然而，迄今为止，这些添加剂如何提高电池性能的原理仍不甚明了。观察电解质中负极附近的界面状态对于阐明添加剂的贡献很重要。 铅酸电池是一种具有多种优点的二次电池，包括出色的安全性、宽工作温度范围和大电流放电。由于这些原因，它们被广泛应用于不间断电源（UPS）设备、公共设施应急电源设备以及汽车发动机启停系统的启动电池，成为社会基础设施不可或缺的一部分。然而，铅酸电池在使用过程中会发生负极的硫酸盐化，并因此导致电池性能劣化。在电解液中增加添加剂可以缓解这一问题。磺化木质素是一种具有代表性的添加剂。然而，但木质素如何促进电化学反应和硫酸化的缓解直到现在仍未阐明。 SPM-8100FM使用调频(FM)方法可以检测到比传统原子力显微镜(AFM)更小的力。因此使用SPM-8100FM高分辨率原子力显微镜和电化学溶液电池，观察稀硫酸环境下铅的固液界面状态，有助于理解添加剂的作用原理。 以上两张图显示了在初始还原反应后对垂直于铅表面的截面进行成像得到的负极(铅)固液界面处的图像。图像的上半部分是电解液，图像下半部分变暗的位置是铅表面。探针检测到力（排斥力）的部分看起来很亮。 在左图仅有稀硫酸的情况下，在铅表面上方没有观察到明显的特异变化。但在右图中，使用“稀硫酸+木质素”的情况下，可以在铅表面上方看到明显的不同亮度分层，如图中红色箭头所示区域。判断该层为木质素-铅络合物，该层的存在有助于铅表面硫酸化程度降低，从而有效抑制了硫酸铅的结晶形成。木质素-铅层的与铅表面、液体部分的不同亮度对比表明探针已经深入到该层中，同时也表明木质素-铅层以柔软的状态吸附在铅表面。这是使用原子力显微镜第一次在铅表面上看到厚度为50nm至100nm的木质素-铅层。 该实验证明了用高分辨原子力显微镜对电化学表面进行观察的可能性，有助于获得更多的电催化过程中界面处的信息，从而提高我们对反应过程的理解。因此可以期待利用SPM-8100FM进行电解质的界面成像来分析其他类型的二次电池充放电过程固液界面处的状态变化。请点击查看视频：https://mp.weixin.qq.com/s/G-1nBKLAxmwPW3FUHYbouASPM-8100FM 本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

项目编号：0773-2241SHHW0172/16；校内编号：招设2022A00189项目名称：上海交通大学原子力显微镜预算金额：170.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：170.0000000 万元（人民币）采购需求：设备名称： 原子力显微镜数量：1套简要技术参数：1.1 XYZ三轴闭环扫描器：XY方向扫描范围≥90微米；Z方向扫描范围≥10微米；扫描器Z方向实际测试噪声水平：闭环控制下，0.035 nm （RMS）；XY方向实际测试噪声水平：闭环控制下，≤0.15nm （RMS）；其余详见“第八章货物需求一览表及技术规格”。设备用途：在半导体加工领域，可以检测基片表面抛光缺陷、图形化结构、薄膜表面形貌以及定量的表面粗糙度数据和深度信息，也可用于材料表面高分辨成像，如：粗糙度、三维形等信息，同时可获得材料表面物理性质分布差异，如：摩擦力、阻抗分布、电势分布、介电常数、压电特性、磁学性质等交货期：合同签订后 24周以内。交付地点：上海交通大学用户指定地点。合同履行期限：合同签订后24周以内本项目( 不接受 )联合体投标。

2013年5月7-10日，布鲁克原子力显微镜上海技术交流会和培训班在中国科学院上海应用物理所，与第五届原子力显微镜生物医学国际学术会议（5th AFM BioMed）同期举行。会议得到了全国各高校、研究所以及部分欧美高校研究人员的积极响应及到会参与。 布鲁克公司纳米表面仪器部美国总部高级产品运营总监Dean Dawson先生对布鲁克公司以及布鲁克纳米表面仪器部的发展历程和产品特色，做了精彩的阐述。随后布鲁克纳米表面仪器部中国区应用科学家龙飞博士、亚太区应用科学家孙万新博士和李昂博士针对布鲁克最新研发的生物型原子力显微镜Catalyst，尤其是快速扫描生物型原子力显微镜Dimension FastScan Bio，与到会者探讨了利用原子力显微镜如何快速获取生物样品的高分辨AFM图像，以及直观获取高分辨图像之外其他生物学样品信息的收集和分析。作为原子力显微镜操作使用方面的专家，尤其是在生命科学领域具有多年的研究工作经历，李昂博士还结合自己的研究经验，与大家交流了做好生物学实验的心得体会，如何准备高质量的生物学样品，如何对探针进行合理修饰，并最终获得高分辨的AFM图像。这些内容将加深广大AFM用户对原子力显微镜强大功能和生命科学领域应用的认识，大大提高用户在仪器使用、操作、结果分析上的熟练掌握程度。 技术交流会结束后，为各位老师和同学安排了充裕的答疑和现场测试时间。基于不同领域和研究方向对于仪器的实际操作需要，布鲁克工程师们与广大原子力显微镜使用者就仪器的操作技巧、数据处理、常见问题分析等展开了热烈的讨论。 此外，布鲁克还于5月8-10号举行了为期三天的原子力显微镜应用技巧培训班，为用户讲授最新的AFM测量模式，以及如何获取高分辨AFM图像的线上线下操作技巧，测试过程中的参数优化技巧。客户服务中心主管孙昊博士，还为大家详细讲解了布鲁克纳米表面仪器部在中国强大的售后服务资源，布鲁克中国维修中心也将于2012年10月11日在北京正式成立，提供专业及时的电话咨询、测试、维修、培训等服务。 本次技术交流会得到了用户的广泛好评，通过技术交流会、仪器现场操作演示以及应用技巧培训班，广大原子力显微镜用户，尤其是生命科学各研究领域的用户，对布鲁克纳米表面仪器部在技术、应用、服务及管理等方面给予了更多的信赖。希望借助此类活动，可以帮助大家更好的理解和使用各型号仪器，更好的完成各领域研究工作。 布鲁克公司纳米表面仪器部 作为表面观测和测量技术的全球领导者，布鲁克公司纳米表面仪器部提供世界上最完整的原子力显微镜、三维非接触式光学形貌仪、探针式表面轮廓仪以及摩擦磨损 测试系列产品。布鲁克公司纳米表面仪器部一直着眼于研发新的计量检测方法和工具，不断迎接挑战，致力于为客户解决各种技术难题，提供最完善的解决方案。此 外，还可根据工业生产中的操作模式和操作习惯，精简仪器功能，针对生产中的特定应用需求，为客户量身打造相匹配的仪器设备，简化生产过程的操作流程，提高 工作效率。布鲁克的表面测量仪器广泛用于大学、研究所，工业领域的LED行业、太阳能行业、触摸屏行业、半导体行业以及数据存储行业等，进行科学研究、产 品开发、质量控制及失效分析，提供符合需求和预算的最佳解决方案。 BioScope Catalyst 生物型原子力显微镜AFM与光学完美结合的生物型原子力显微镜，为生物样品检测提供简单而有效的解决方案，高效易用，功能完备Bruker把成熟的光学显微镜技术与原子力显微镜的独特测量优势完美结合，利用ScanAsyst&trade 和Peak Force&trade 等创新性设计保证AFM的优异性能，又通过实时软件控制，实现与光学显微镜的最完美结合。 Bruker独有的MIRO (显微镜图像定位和叠合) 软件通过使用光学成像系统指导AFM针尖到指定的检测区域，进行扫描成像和力学性质测量。实验中可以选用载玻片，盖玻片或者培养皿作为基片，都可以很好地完成检测任务。此外，仪器还配备了微量液体池附件，降低科研成本，需要很少的样品就可以完成检测；控温培养皿液体池可以精确控制实验温度，延长细胞存活时间，保证实验顺利完成。Dimension FastScan Bio AFM - 世界上扫描速度最快、分辨率最高的生物型原子力显微镜 Dimension FastScan Bio&trade 原子力显微镜 (AFM)以每秒3帧时间分辨率进行活体样品观测，使得生物动力学高分辨研究成为可能。此外，它的出现，大大简化了传统的AFM操作和测试流程。FastScan Bio是在世界上最先进的大样品台原子力显微镜--Dimension FastScan&trade 基础上建立的，结合其独特设计，应用特殊的形状和镀层的新型探针，大大提高探针柔性，与快速扫描成像有利结合，提高了专业的生物样品测试功能，适合于生物样品的高分辨成像、活体样品的分子间相互作用观测、膜蛋白、DNA/蛋白结合、细胞间的信号传导以及其他的生物动力学研究。 畅销15年，作为世界上最受欢迎，分辨率做高的原子力显微镜，已经成为AFM高分辨成像的标杆。现在Bruker推出全新升级版MultiMode 8原子力显微镜，添加更多功能和配件，是这套系统更趋于完美。全新专利技术ScanAsystTM ---自动优化全智能扫描模式：世界上第一个自动优化成像参数的AFM扫描模式，采用智能演算方法自动连续地监测图像质量，适时作出相应的参数调整。使用ScanAsyst&trade 模式，不必繁琐地调整setpoint、反馈增益、扫描速度等参数，只要选定所需扫描区域和扫描范围，即轻松获得高质量图像。PeakForce QNM --峰值力定量机械性能测试模式：Bruker 专利的新型成像模式，可以对材料进行纳米尺度的力学性质定量检测表征，获得材料的粘附力和弹性模量图像，同时还能得到样品形貌的高分辨图像。使用 PeakForce QNM操作模式，可以延长探针的使用寿命，降低针尖更换频率，维持样品完整性和测量准确度，这些优势条件下，除了获得样品高分辨形貌图像，无需额外操作， 即可获得样品的杨氏模量和粘附力图谱。 布鲁克纳米表面仪器部开通优酷视频专辑Bruker Nano Surfaces YouKu Channel &mdash 欢迎订阅优酷上Bruker Nano Surfaces的相关视频，观看最新的AFM产品和相关技术进展，以及历届网络研讨会和培训资料，精彩内容持续更新中！http://i.youku.com/u/UNDU0NDQ5MTEy 客户服务热线：400-890-5666 邮箱：sales.asia@bruker-nano.com

产品介绍AFM5300E配置专业的真空腔体，可在环境控制条件下原位对样品微观尺度的形貌及物性进行观测分析。真空环境下可大幅降低氧化、水膜吸附等对样品真实情况的影响；真实测量特殊条件下材料的性能。让研究达到常规原子力显微镜无法企及的高度和深度。产品特点1、环境控制：具备常温大气，高真空、高低温、气氛、液相、湿度等环境功能；2、多功能配置：接触式，轻敲式，SIS（样品智能扫描）等工作模式，能进行三维形貌，电磁及机械力学性能观察分析，独有的极高分辨的SNDM（扫描非线性介电显微镜）；3、操作便捷：激光器/样品移动螺杆置于真空腔外；触点式控温台/扫描器设计；4、真空转移：一体化提供离子研磨仪、高分辨扫描电镜、可控环境原子力显微镜，使用真空转移盒可保护样品在各个设备间转移测量，避免大气暴露； 5、高分辨：真空下极高的相位及磁畴分辨能力。 公司介绍：日立科学仪器（北京）有限公司是世界500强日立集团旗下日立高新技术有限公司在北京设立的全资子公司。本公司秉承日立集团的使命、价值观和愿景，始终追寻“简化客户的高科技工艺”的企业理念,通过与客户的协同创新，积极为教育、科研、工业等领域的客户需求提供专业和优质的解决方案。 我们的主要产品包括：各类电子显微镜、原子力显微镜等表面科学仪器和前处理设备，以及各类色谱、光谱、电化学等分析仪器。为了更好地服务于中国广大的日立客户，公司目前在北京、上海、广州、西安、成都、武汉、沈阳等十几个主要城市设立有分公司、办事处或联络处等分支机构，直接为客户提供快速便捷的、专业优质的各类相关技术咨询、应用支持和售后技术服务，从而协助我们的客户实现其目标，共创美好未来。

不忘初心，砥砺前行，以下按照时间轴，一起回顾Park原子力显微镜公司成长史，以及伴随世界原子力显微镜技术发展的故事。01Park公司简介 帕克原子力显微镜（Park Systems,以下称Park）是一家专门从事纳米设备测量的公司。Park致力于新技术开发，始终是纳米显微镜和计量学领域的创新者。Park在AFM技术发展中发挥着举足轻重的作用，制造和销售具有全自动化软件且使用方便的高精度原子力显微镜（AFM）。截至2021年4月20日，Park股票估值超过了一兆（万亿）韩元。朴尚一（Sangil Park)博士和他的导师Calvin Quate教授02为梦想而坚守Park原子力显微镜创始人朴尚一博士 Dr. Sangil Park1985年朴尚一博士所在的课题组（师从Calvin Quate教授）研发出世界首台原子力显微镜1988年朴尚一博士在美国硅谷创立了Park Scientific Instruments公司(PSI)1997年朴尚一博士将年销量为1200万美金的PSI以1700万美金的价格转卖给了美国测量设备公司Thermo Micro.1997年朴尚一博士回到韩国，创立PSIA公司，即为后来的Park原子力显微镜公司。Park原子力显微镜1997年4月PSIA(株)成立（资金5亿韩元）1998年7月中小企业厅风险投资企业确认1998年10月被韩国产业资源部评定为工业为主技术开发公司2000年04月韩国科学技术部颁发国家研究奖（NRL）2002年7月获得NT Mark(New Technology)新技术认证2002年消除串扰技术的发展（XE），从而提高了原子力显微镜的反馈和成像2003年4月成立美国分公司（PSIA Inc.）2003年5月被韩国科学技术部选为核心技术开发产业（Nano）2003年10月获得CE标志认证（XE-100, XE-150产品型号）2004年2月获得“工业技术奖”2004年真正非接触模式（True Non-contact Mode）实现无损样品扫描2005年1月被评为2004年韩国十大新技术企业（原子力显微镜技术）2005年7月获得ISO 14001环境管理体系认证2006年1月获得韩国高新技术认证（NEP， New Excellence Product）2007年1月成立日本分公司2007年4月法人名更改为Park Systems Corp.2007年12月被知识经济部评为"世界一流商品生产企业"2008年3月“韩美未来产品经营大奖”2008年7月获得 ISO 9001质量管理体系认证2008年8月XE-3DM：用于高分辨率3D测量的全新3D原子力显微镜2008年11月XE-Wafer: 用于在线晶圆检测和计量的自动化工业AFM2009年5月通过了Hynix海力士半导体的"Preliminary Performance Test"2009年6月荣获彼得.德鲁克创新奖2010年1月获得国家核心技术奖（工业型原子力显微镜技术）2010-11号2010年12月韩国十大新技术奖（XE-3DM技术）-知识经济部2010年12月韩国技术大赏银奖（XE-3DM技术）（经济部长奖）2011年Park NX10新品出市：全新产品系列的最优原子力显微镜2012年8月NanoKorea 2012知识经济部长奖2012年8月新加坡分公司成立2012年10月Park NX-Wafer: 全自动晶圆检测原子力显微镜2012年Park NX20新产品：用于故障分析和大型样品扫描的领先纳米计量工具2013年6月被选为 INNO-BIZ(技术创新中小企业) (13.06.20~16.06.19)2013年Park NX-HDM: 实现硬盘介质和半导体衬底的全自动化缺陷检查和亚埃米级表面粗糙度测量2014年Park SmartScan: 通过Park划时代创新自动成像技术，实现SmartScan软件的三次点击成像2015年2月与IMEC达成JPD协议以开发用于半导体制造业的纳米级原子力显微镜计量学2015年5月被选为国家产业核心技术事业项目 (2015.06~2018.05)-韩国产业通商资源部2015年8月首次在KOSDAQ（科斯达克）评估信息中获得AA等级技术评估，技术保证金2015年9月被指定为国家核心技术（原子力显微镜制造技术）- 韩国产业通商资源部2015年12月在科斯达克（KOSDAQ）上市，首次公开募股2015年6月NX-3DM:失效分析，质量监控和工艺改进的最佳原子力显微镜2015年Park NX-Hivac: 用于故障分析和气压敏感材料研究的高真空原子力显微镜2016年6月荣获第8届韩国KOSDAQ奖"最佳下一代企业奖"2016年6月被选为INNO-BIZ(技术创新中小企业) (A等级，16.06.20~19.06.19)2016年7月2016弗若斯特沙利文（Frost＆Sullivan）“全球技术支持领先奖”2016年12月产业通商资源部颁发2016年"第15届产业技术奖"2016年Park NX20 300mm: 可用于300 mm晶片圆测量和分析的自动化纳米测量工具2017年2月成立中国台湾分公司2017年3月成立欧洲分公司2017年Park NX12: 多功能原子力显微镜平台，满足纳米级测量的需求2018年5月2018年科斯达克（KOSDAQ）后起之秀企业2018年6月第十届韩国科斯达克（KOSDAQ）大赏最优秀技术企业奖2018年9月中国北京分公司成立2018年11月科学技术信息通信部，产业通商资源部颁发2018年十大纳米技术奖2018年12月入选2018年最有前途半导体技术解决方案企业2019年7月再次被选为2019年科斯达克（KOSDAQ）后起之秀企业2019年7月获NanoKorea 2019年韩国国务总理表彰奖2020年2月Park NX-TSH: 专为超大纳米平板显示器测量设计的自动化原子力显微镜2020年3月IMEC与Park公司签署第二期JDP协议合作开发用于半导体制造的纳米计量解决方案2020年5月Park原子力显微镜完成其对Molecular Vista的股权投资2021年1月2020年福布斯亚洲10亿美元200强企业榜单- Park原子力显微镜公司上榜2021年2月Park SmartLitho™ -最简易的纳米光刻和纳米操作的智能化软件2021年4月在科斯达克（KOSDAQ）突破一兆（万亿）韩元的关口03Park研发之路"前世今生"近40年间，朴尚一博士致力于原子力的发展。1985年，朴尚一博士在斯坦福大学Calvin Quate教授课题组攻读博士学位期间，亲身参与并见证了首台AFM的诞生。该成果发表在1986年3月的“物理评论快报”上，该成果的共同作者单位为Gerd Binnig(IBM公司阿尔玛登研究中心)、Christoph Gerber(IBM公司苏黎世研究实验室)、Calvin Quate教授(斯坦福大学)。1988年，朴尚一博士在美国硅谷创立了Park Scientific Instruments公司(PSI)，PSI作为全球最初的商业化AFM公司在硅谷获得了巨大成功，公司仅用三年时间，销售业绩就达到了595万美金，相比于创业之初的1988年，业绩实现了超过10倍的暴风式增长。1997年， PSI以1700万美金的收购价格被美国测量设备公司Thermo Micro全资收购。1997年，朴尚一博士回到韩国并于当年成立了PSIA公司。伴随着半导体产业的崛起，PSIA公司着力于开发适用于半导体产业的计量型原子力显微镜。1998年，PSIA公司推出了首款可以对8英寸Wafer进行缺陷检测的原子力显微镜"SM5-200"。2000年，PSIA公司根据LCD产业的需求，推出了世界上首台不用破片的大尺寸LCD产业用原子力显微镜--600X720 mm液晶显示器(LCD)。该产品首次实现了原子力显微镜检测的不破片测量，并在同年得到了三星电子的评测认可。但在2001年，由于受制于美国的贸易政策，PSIA公司不能从美国的公司采购任何主要的美国生产的产品备件，导致公司生产一度停滞。“求人不如求己！”面对美国一些贸易壁垒的经营限制条例，朴尚一博士决定借此机会让PSIA成为完全的技术独立者。在随后的漫长时间里，他致力于研发完全本土化的产品。历尽不为人知的众多曲折后，PSIA最终推出了世界上首台扫描器分离的原子力显微镜Park XE-100，并且将非接触模式的算法进行了优化升级，一举解决了传统非接触模式不能进行高分辨扫描的弊端。PSIA推出的非接触模式成像，在获得高分辨率的照片的同时，且使探针寿命得到了显著的提升，有效降低了AFM使用成本。2007年4月，PSIA正式改名为Park Systems (中文名：帕克原子力显微镜，以下称为Park)。随后Park还开发了3D原子力显微镜测量技术，升级款的原子力显微镜可以测量类似TSV样品的侧壁形貌。此项技术问世后，欧洲领先的微电子技术独立研发中心IMEC向Park抛来合作的橄榄枝，并在2015年和Park签署合作意向书，以便在半导体工艺先进制程研发领域建立长期合作伙伴关系。小结Park公司成立至今，从包括朴尚一博士在内的首次创业的几个合伙人，发展到现在拥有400人的全球公司，实现了质的蜕变。截至目前，Park公司市值已超过10亿美金，在全球建立了9个分公司和代表处，并于2017年在中国北京成立了韩国帕克服份有限公司北京代表处… … 毋庸置疑，随着市场地不断开拓，Park公司凭借着与时俱进的研发技术，已经成为业界领先的优秀企业。接下来Park即将推出一系列新品原子力显微镜，并将于2024年扩迁公司总部，以更好地推进公司的运营和发展。Park将为科学和工业实验室引入一种具有人工智能和机器人智能化的全新全自动化原子力显微镜 ，值得期待！

图片描述：分子间作用力测试过程示意图与典型力-距曲线和作用力统计结果 高分子材料在人类社会中起着不可或缺的作用。高分子的分子间相互作用特性决定了其相关材料在不同领域中的物理化学性质和应用性能。因此，对高分子分子间作用力的量化研究对指导后续功能材料的设计与制备、开拓高分子材料新的应用领域具有重要指导意义。本次网络研讨会将以天然高分子木质素和纤维素为例，首先详细介绍原子力显微镜在量化研究高分子分子间作用力时的基础原理和测试方法，然后展示如何对分子间作用力的测试结果进行详细分析（包括对多种耦合作用力的解构分析等），最后对原子力显微镜分子间作用力测试技术进行简单的展望与总结。报告人：王静禹华南理工大学 化学与化工学院王静禹，华南理工大学化学与化工学院在站博士后。2014年获得长沙理工大学学士学位，博士期间在华南理工大学邱学青教授的生物质资源利用团队进行学习与研究，于2020年获得化学工程博士学位，并在毕业后继续以博士后身份在该课题组开展研究工作。2018年至2020年，以联合培养博士身份赴美国威斯康辛大学-麦迪逊校区进行为期两年的交流学习。王静禹博士有着7年的原子力显微镜应用经验（包括原子力显微镜形貌成像、力学、电学等模块），他目前的研究工作主要包括天然高分子分子间相互作用和溶液行为的基础研究及其超分子结构的精确调控。网络讲座时间：2021年5月27日 星期四 上午10点-上午11点申请方法：关注公众号：Park原子力显微镜 扫描网络讲座里的二维码报名 即可。

近日，记者从中科院化学所获悉，该所胶体、界面与化学热力学重点实验室李峻柏课题组利用其开发的“超高分辨率荧光显微镜”，观测到生物矿化过程中参与结晶的蛋白质分布信息。论文在《德国应用化学》上刊发。　　“超高分辨率荧光显微镜”可以超越远场光学显微镜的分辨率极限，直接检测到几十纳米的精细结构。而与能达到相同或更高分辨率的X光显微镜、各类电子显微镜及原子力显微镜相比，超高分辨荧光成像能在常温常压和基本不损伤生物样本活性的条件下，获得其纳米尺度的图像信息。　　研究人员介绍，“超高分辨率荧光显微镜”又称为随机光学重建显微镜(STORM)，可达到或好于50纳米分辨率。在前期研究中，李峻柏课题组在超高分辨图像采集和数据分析方面发展了实时单分子定位的程序包SNSMIL，该程序包可广泛应用于高背景成像的数据分析。　　他们利用STORM观测到方解石中生物矿化过程中参与结晶的蛋白质分布信息，为研究蛋白质诱导生物矿化的机理提供了数据。

利用原子力显微镜进行的自动缺陷复检可以以纳米级的分辨率在三维空间中可视化缺陷，因此纳米级成像设备是制造过程的一个重要组成部分，它被视为半导体行业中的理想技术。结合原子力显微镜的三维无创成像，使用自动缺陷复查对缺陷进行检测和分类。伴随光刻工艺的不断进步，使生产更小的半导体器件成为可能。 随着器件尺寸的减小，晶圆衬底上的纳米级缺陷已经对器件的性能产生了限制。 因此对于这些缺陷的检测和分类需要具有纳米级分辨率的表征方法。 由于可见光的衍射极限，传统的自动光学检测（AOI）无法在该范围内达到足够的分辨率，这会损害定量成像和随后的缺陷分类。 另一方面，使用原子力显微镜 (AFM) 的自动缺陷复检 (ADR)技术以 AFM 常用的纳米分辨率能够在三维空间中可视化缺陷。 因此，ADR-AFM 减少了缺陷分类的不确定性，是半导体行业缺陷复检的理想技术。 缺陷检查和复检 随着半导体器件依靠摩尔定律变得越来越小，感兴趣的缺陷（DOI）的大小也在减小。DOI是可能降低半导体器件性能的缺陷，因此对工艺良率管理非常重要。DOI尺寸的减小对缺陷分析来说是一个挑战：合适的表征方法必须能够在两位数或一位数纳米范围内以高横向和垂直分辨率对缺陷进行无创成像。 传统上，半导体行业的缺陷分析包括两个步骤。第一步称为缺陷检测，利用高吞吐量但低分辨率的快速成像方法，如扫描表面检测系统（SSIS）或AOI。这些方法可以提供晶圆表面缺陷位置的坐标图。然而，由于分辨率较低，AOI和SSIS在表征纳米尺寸的DOI时提供的信息不足，因此，在第二步中依赖高分辨率技术进行缺陷复检。对于第二步，高分辨率显微镜方法，如透射或扫描电子显微镜（TEM和SEM）或原子力显微镜（AFM），通过使用缺陷检测的缺陷坐标图，对晶圆表面的较小区域进行成像，以解析DOI。利用AOI或SSIS的坐标图可以最大限度地减少感兴趣的扫描区域，从而缩短缺陷复检的测量时间。 众所周知，SEM和TEM的电子束可能会对晶圆造成损伤，所以更佳的技术选择应不能对晶圆产生影响。那么选择采用非接触测量模式的AFM可以无创地扫描表面。不仅有高横向分辨率，AFM还能够以高垂直分辨率对缺陷进行成像。因此，原子力显微镜提供了可靠的缺陷定量所需的三维信息。 原子力显微镜 通过在悬臂末端使用纳米尺寸的针尖对表面进行机械扫描，AFM在传统成像方法中实现了最高的垂直分辨率。除了接触模式外，AFM还可以在动态测量模式下工作，即悬臂在样品表面上方振荡。在这里，振幅或频率的变化提供了有关样品形貌的信息。这种非接触AFM模式确保了以高横向和垂直分辨率对晶圆表面进行无创成像。由于自动化原子力显微镜的最新发展，原子力显微镜的应用从学术研究扩展到了如硬盘制造和半导体技术等工业领域。该行业开始关注AFM的多功能性及其在三维无创表征纳米结构的能力。因此，AFM正在发展成为用于缺陷分析的下一代在线测量解决方案。 使用原子力显微镜自动缺陷复检 基于 AFM 的缺陷复检技术的最大挑战之一是将缺陷坐标从 AOI 转移到 AFM。最初，用户在 AOI 和 AFM 之间的附加步骤中在光学显微镜上手动标记缺陷位置，然后在 AFM 中搜索这些位置。然而，这个额外的步骤非常耗时并且显着降低了吞吐量。另一方面，使用 AFM 的自动缺陷复检从 AOI 数据中导入缺陷坐标。缺陷坐标的导入需要准确对准晶圆以及补偿 AOI 和 AFM 之间的载物台误差。具有比 AOI 更高位置精度的光学分析工具（例如Candela）,可以减少快速中间校准步骤中的载物台误差。以下 ADR-AFM 测量包括在给定缺陷坐标处的大范围调查扫描、缺陷的高分辨率成像和缺陷分类。由于自动化，测量过程中用户不必在场，吞吐量增加了一个数量级。为了保持纳米级的针尖半径，使多次后续扫描依旧保持高分辨率，ADR-AFM 采用非接触式动态成像模式。因此，ADR-AFM 可防止探针针尖磨损并确保对缺陷进行精确地定量复检。图1：用AOI和ADR-AFM测定的缺陷尺寸的直接比较，见左侧表格。右侧显示了所有六种缺陷的相应AFM形貌扫描。突出的缺陷称为Bump，凹陷的缺陷称为Pit。 AOI和ADR-AFM的比较 图1比较了 AOI 和 ADR-AFM 对相同纳米级缺陷的缺陷复检结果。AOI 根据散射光的强度估计缺陷的大小，而 ADR-AFM 通过机械扫描直接缺陷表面进行成像：除了横向尺寸外，ADR-AFM 还测量缺陷的高度或深度，从而可以区分凸出的“bump”和凹陷的“pit”缺陷。 缺陷三维形状的可视化确保了可靠的缺陷分类，这是通过 AOI 无法实现的。当比较利用 AOI 和 ADR-AFM 确定缺陷的大小时，发现通过 AOI 估计的值与通过 ADR-AFM 测量的缺陷大小存在很大差异。对于凸出的缺陷，AOI 始终将缺陷大小低估了一半以上。 这种低估对于缺陷 4 尤其明显。在这里，AOI 给出的尺寸为 28 nm ，大约是 ADR-AFM 确定的尺寸为 91 nm 的三分之一。 然而，在测量“pit”缺陷 5 和 6 时,观察到了 AOI 和 ADR-AFM 之间的最大偏差。 AOI将尺寸在微米范围内的缺陷低估了两个数量级以上。 用 AOI 和 ADR-AFM 确定的缺陷大小的比较清楚地表明，仅 AOI不足以进行缺陷的成像和分类。图 2：ADR-AFM 和 ADR-SEM 之间的比较，a) ADR-SEM 之前遗漏的凸出缺陷的 AFM 图像。 ADR-SEM 扫描区域在 AFM 形貌扫描中显示为矩形。 b) 低高度 (0.5 nm) 缺陷的成像，ADR-SEM 无法解析该缺陷。 c) ADR-SEM 测量后晶圆表面上的电子束损伤示例，可见为缺陷周围的矩形区域。 ADR-SEM和ADR-AFM的比较 除了ADR-AFM，还可以使用 ADR-SEM 进行高分辨率缺陷复查。ADR-SEM根据AOI数据中的DOI坐标，通过SEM测量进行自动缺陷复检，在此期间，高能电子束扫描晶圆表面。虽然SEM提供了很高的横向分辨率，但它通常无法提供有关缺陷的定量高度信息。为了比较ADR-SEM和ADR-AFM的性能，首先通过ADR-SEM对晶圆的相同区域进行成像，然后进行ADR-AFM测量（图2）。AFM图像显示，ADR-SEM扫描位置的晶圆表面发生了变化，在图2a中，AFM形貌显示为矩形。由于ADR-AFM中ADR-SEM扫描区域的可见性，图2a说明ADR-SEM遗漏了一个突出的缺陷，该缺陷位于SEM扫描区域正上方。此外，ADR-AFM具有较高的垂直分辨率，其灵敏度足以检测高度低至0.5nm的表面缺陷。由于缺乏垂直分辨率，这些缺陷无法通过ADR-SEM成像（图2b）。此外，图2c通过总结高能电子束对样品表面造成的变化示例，突出了电子束对晶片造成损坏的风险。ADR-SEM扫描区域可以在ADR-AFM图像中识别为缺陷周围的矩形。相比之下，无创成像和高垂直分辨率使ADR-AFM非常适合作为缺陷复检的表征技术。

仪器信息网讯 Park原子力显微镜11月14日发布了NX系列新品——Park NX7。Park NX7通过消除扫描器串扰进行准确的XY扫描，操作软件可以帮助初次使用用户和资深用户进行专业的纳米级研究，支持高级样品表征。Park NX7涵盖所有扫描探针显微镜的扫描模式，26种SPM模式包括3种形貌成像、3种介电/压电特性、1种磁学特性、9种电学特性、8种力学特性和2种化学特性模式，拥有极佳的选择兼容性和可升级性。Park NX7 配有Park原子力显微镜顶尖技术，其设计与新型显微镜一样彰显细节品质，可以有效助您取得精准的研究成果。现在价格实惠，是您预算合理下的理想首选。NX系列产品优势:True Non-Contact™模式可延长探针寿命、保护样品和精准测量；高速扫描器可在提高扫描速度的同时提供高解析度图像，为用户提供高效率解决方案；人性化设计的软件和硬件功能，拓展功能齐全。实惠智能Park NX7（点击查看更多仪器信息）概览通过消除扫描器串扰进行准确的XY扫描• 独立闭环XY和Z柔性扫描器• 正交XY扫描• 样品表面形貌信息测量精准，无需软件处理最全面的原子力显微镜解决方案• 涵盖所有扫描探针显微镜的扫描模式• 更智能的NX电子控制器默认启用高级纳米机械测量模式• 拥有业界最佳选择兼容性和可升级性人性化设计的软件和硬件功能• 方便样品或换针的开放式使用• 预对准的探针夹设计，可轻易直观的进行SLD光校准• Park SmartScanTM - 原子力显微镜操作软件可以帮助初次使用用户和资深用户进行专业的纳米级研究。技术信息无扫描器弓形弯曲的平直正交XY轴扫描Park的串扰消除技术不仅改善了扫描器弓形弯曲的缺点，还能够在不同扫描位置，扫描速率和扫描尺寸条件下进行平直正交XY轴扫描。即使最平坦的样品也不会出现如光学平面,各种偏移扫描等背景曲率。因此Park能不惧艰难挑战，为您在研究中提供高精度的纳米测量。 无耦合关系的XY和Z扫描器Park的核心优势在于匠心独运的扫描器架构。基于独立XY扫描器和Z扫描器设计的独特挠曲结构，能让您轻松获得无可比拟的高精度纳米级分辨率数据。 行业领先的低噪声Z探测器Park AFM 配备了该领域最有效的超低噪声Z探测器，噪音水平低于0.02 nm,因而达到了样品形貌成像精准，没有边沿过冲无需校准的高效率。Park NX系列不仅为您提供高精准的数据，更为您最大化地节省了时间成本。 由低噪声Z探测器测量准确的样品形貌• 利用低噪声Z探测器信号进行形貌成像• 有高宽带，Z探测器低噪声只有0.02 nm• 边缘位置无前沿或后沿过冲现象• 只需在原厂校准一次样品: 1.2 μm标准台阶高度(9 μm x 1 μm, 2048 pixels x 128 lines)True Non-Contact™模式可延长探针寿命、保护样品和精准测量True Non-Contact™ 模式是Park原子力显微镜系统独有的扫描模式，通过在扫描过程中防止针尖和样品损坏，从而产生高分辨率和准确的数据。接触模式下，针尖在扫描过程中持续接触样品；轻敲模式下，针尖周期性地接触样品；而在非接触模式下针尖不会接触样品。因此，使用非接触模式具有几大关键优势。由于针尖锐度得以保持，在整个成像过程中会以最高分辨率进行扫描。非接触模式下由于针尖和样品表面不会直接接触，从而避免损坏软样品。 更快速的Z轴伺服使得真正的非接触式原子力显微镜有更精确的反馈• 减少针尖磨损 → 长时间高分辨率扫描• 无损式探针-样品接触 → 样品受损最小化• 可满足各种条件下，对各种样品都能够进行非接触式扫描 此外，非接触模式可以感知探针与样品原子之间的作用力，甚至可以检测到探针接近样品时产生的横向力。因此，在非接触模式下使用的探针可以有效避免撞到样品表面时突然出现的高层结构。而接触模式和轻敲模式只能进行探针底端检测，很容易受到这种撞击伤害。原子力显微镜模式最具扩展性的 AFM 解决方案:行业领先——支持最广泛的SPM模式和选项如今，研究人员需要在不同的测量条件和样品环境下表征广泛的物理特性。 Park Systems能为您提供最广的 SPM 模式、最全的 AFM 选项以及业界最佳的选项兼容性和可升级性，支持高级样品表征。Park NX7拥有最广泛的 SPM 模式形貌成像• 非接触模式• 接触模式• 轻巧模式介电/压电特性• 压电力显微镜(PFM)• 高压PFM• Piezoresponse Spectroscopy磁学特性• 磁力显微镜 (MFM) 电学特性• 导电原子力显微镜 (C-AFM)• 电流-电压分光镜• 开尔文探针力显微镜 (KPFM)• 高压KPFM• 扫描电容显微镜 (SCM)• 扫描扩展电阻显微镜 (SSRM)• 扫描隧道显微镜(STM)• 光电流映射 (PCM)• 静电力显微镜 (EFM) 力学特性• 力调制显微镜 (FMM)• 纳米压痕• 纳米刻蚀• 高压纳米刻蚀• 纳米操纵• 横向力显微镜 (LFM)• 力距(F/d)光谱• 力容积成像化学特性• 具有功能化探针的化学力显微镜• 电化学显微镜 (EC-AFM)技术参数Park NX7 参数ScannerZ扫描器柔性引导高推动力扫描器Z扫描范围: 15 μm (30 μm可选) XY扫描器闭环控制式单模块柔性XY扫描器扫描范围: 50 µm × 50 µm(可选 10 μm × 10 μm 或 100 μm × 100 μm)位移台Z位移台Z位移台行程范围: 28 mm XY位移台XY位移台行程范围: 13 mm X 13 mm 样品架样品大小 : 最大50 mm样品厚度: 最厚20 mm软件SmartScanTMAFM系统控制和数据采集软件智能模式的快速设置和简易成像手动模式的高级使用和更精密的扫描控制 SmartAnalysisTMAFM数据分析软件独立设计—可以安装和分析AFM以外的数据能够生成采集数据的3D绘制 Dimensions in mm

人类探索极限的脚步从未停止。为了看的更细，看得更清。列文虎克发明了显微镜，成为人类利用工具观察世界的肇始。从此，光学成为显微镜的支配性规律。自十七世纪到二十世纪初，光学显微镜完成了几乎所有类型的研发、设计和定型。但因为衍射极限的发现，似乎提高观察的分辨率只有改进光源这一种路径。激光的发明成为光学显微镜在分辨率上最后的努力。十九世纪初电子的发现，以及微观粒子的波粒二象性特性的揭示，成为了电子显微镜的基础。但是电子显微镜实际上可以看作光学显微镜在量子力学下的延伸。用加速电子束替代了传统光源，用磁透镜/静电透镜代替了透明介质透镜，可是几乎所有的理论结构都与光学显微镜一致。二十世纪三十年代电子显微镜被发明至今，其分辨率极致被提高到亚纳米级别。距离原子级分辨似乎只有一步之遥。但是自然界被物理铁律支配，这一步似乎近在咫尺，但却云崖天隔。二十一世纪的电子显微镜已经进入了和二十世纪光学显微镜同样的境地，只能在不断改进各部件的精度中一丝一毫地改进图像，但无法跨越最后的鸿沟。量子力学成为了新一代显微镜的理论基础。1981年，隧道扫描显微镜被发明，一种全新的显微镜横空出世。它不同于光学显微镜和电子显微镜，完全摆脱了对检测介质的依赖，以微粒间的作用（电、力）为检测信号，一举突破了原子级别的分辨率。随后在1985年被发明的原子力显微镜，更是将适用对象从金属和半导体拓展到所有的固体。这是一种全新的显微方法和工具，从二十世纪八十年代末到九十年代初，全球各主要科技强国纷纷开展了扫描探针显微镜的研发。也正是在这个时期，岛津开始涉足该领域。1991年，基于超高真空环境的隧道扫描显微镜AIS-900面世。相对于在大气环境下的隧道扫描显微镜，真空环境使其工作环境免受干扰，图像分辨率和清晰程度都更高，工作也更稳定。虽然真空环境带来了分辨率的提高，但是同时也限制了样品的测试和操作的便利性。为此，1993年，岛津开发了兼容多种环境的WET-901，可以同时满足对大气环境、真空环境、特殊气氛、液体环境、电化学环境等不同要求。WET-901和随后的WET-9400，岛津敏锐地意识到，随着原子力显微镜的不断完善，微区观测技术必然会对原位分析产生重要的影响。因此，岛津持续不断地改进环境控制舱，应对不同时期科研领域的需求。紧接着在1995年，岛津推出了成功的SPM-9500系列。二十世纪九十年代中后期是原子力显微镜大发展的时期，各种扫描模式从实验室走向实用。从1995年2001年，岛津SPM-9500系列也历经SPM-9500、SPM-9500J、SPM-9500J2、SPM-9500J3四个型号，不断吸收新的功能模式。同时，该系列具备的自动进针和头部滑动机构也在操作性上领先于其他竞争对手，这些特点使得该系列成为了一个长寿的产品。随后的SPM-9600（2005年）、SPM-9700（2010年）、SPM-9700HT（2016年）基本都延续了SPM-9500的基本结构，通过不断改进控制器，提高分辨率，增加新功能，改善操作性。在这个时期，商用原子力显微镜陷入了一个发展瓶颈，功能模式固化，应用领域受限，每个厂家都在不同的方向上尝试新的突破。有的厂商开始匹配半导体工业的需求，有的则在生命科学领域进行研发。岛津也在思考什么才是原子力显微镜的发展根本？不识庐山真面目，只缘身在此山中。经过大量的思考和尝试，一切回归本源——分辨率。只有分辨率才是显微镜最核心的技术指标。于是在2014年推出了调频型原子显微镜SPM-8000FM并在2017年升级为SPM-8100FM。该系列最核心的技术是调频控制探针，利用频率对作用力的分辨率和反馈速度远高于振幅的特点，实现了在大气和液体环境中原子/分子级的分辨率。利用调频模式对作用力的高分辨检测能力，还成功地将原子力显微镜的应用从固体表面观察拓展到固液界面的水合化和溶剂化作用。这项技术有助于电池和摩擦学等领域的前沿研究。最近的十年，随着原子力显微镜对不同应用领域的拓展，新的技术和新的需求也在不断涌现。岛津原子力显微镜将会如何应对新变化，又会开发什么新技术呢？5月18日，岛津SPM-NANO原子力显微镜线上新品发布会，让我们拭目以待！报名链接：https://www.instrument.com.cn/zt/spm-nanoa 或扫码报名

干细胞的研究一直受制于供体细胞很难获得，而且相关实验的伦理风险也不容忽视。因此2007年发明的诱导式多能性干细胞(iPS)技术成为最佳的胚胎干细胞替代。iPS细胞在形态、基因和蛋白表达、表观遗传修饰状态、细胞倍增能力、类胚体和畸形瘤生成能力、分化能力等方面都与胚胎干细胞相似。但是iPS转化过程中，会有一定的几率发展为癌细胞。不同体细胞来源的iPS细胞成瘤性有差异。因此，如何筛选安全型iPS细胞是该技术能够进入临床实验的关键。原子力显微镜作为一种三维形貌观察工具，不仅具备超高分辨率，而且支持在液体环境下工作，是一种理想的细胞观测设备。除了形貌观察外，原子力显微镜还可以多种表面属性进行定量观测。例如，基于力学测试的表面机械性能测试。这些特征为原子力显微镜应用于iPS细胞观测与筛选提供了技术基础。为此设计一个实验，分别用原子力显微镜观察未分化的iPS细胞和HeLa细胞。HeLa细胞是一种被广泛使用的癌变细胞，因此可以和iPS细胞进行对比观察。上图显示了SPM形状图像(a)HeLa细胞和(b)iPS细胞。用光学显微镜观察到的相应相位差图像分别显示在(c)和(d)中。图中箭头所示位置处的截面形状轮廓如(e)和(f)所示。从细胞形态上来看，HeLa细胞呈圆顶形，表面隆起比较高，约7um；而iPS细胞呈扁平状且细胞间粘附呈网状结构，细胞高约1.7um。仔细观察细胞之间的边界，可以看出HeLa细胞之间的边界呈凹陷状，而iPS细胞之间的边界是凸起的，而且呈网络状。据此可分析得知这两种细胞各自的间粘附具有差异，且HeLa细胞之间的粘附较弱，而iPS细胞之间的粘附较强。除了形貌观察外，原子力显微镜还可以通过力学测量获得细胞表面的机械性能。如下图所示，用探针针尖压触细胞表面，通过对探针获得的力反馈分析样品各类机械性能。对于本实验，在对64×64点的测量区域进行测量后，从获取的体数据中形成形状图像。该观察中使用的探针是由OlympusCorporation制造的OMCL-TR800PSA并且具有0.15N/m的弹簧常数。测量是在培养液中的活细胞条件下进行的。对细胞的最终压力(排斥力)为2.5nN。通过比较从探针与样品接触的位置到达到2.5nN的力的变化，确定样品的硬度。(a)和(b)显示了SPM观察到的HeLa和iPS细胞的细胞形状图像，(c)和(d)显示了相应的ZX断面图像，是从样品竖截面方向看时在(a)和(b)中箭头所示的X线位置处施加到探针的力的图像。图中上方为测量起点，下方白色虚线为压触终点，显示了样品截面形状轮廓。在ZX图像中，探针与样品接触后检测到力的位置以黄色到红色的颜色显示。因为这表明探针对细胞的变形，所以可以理解较大量的细胞变形显示细胞的较软部分。可以从细胞变形量了解硬度。(c)中的HeLa细胞显示出均匀的变形，但相比之下，在(d)中的iPS细胞中，细胞体较软，细胞间粘附区较硬。分析结果表明，HeLa细胞表面硬度比较均匀，软硬部分差别不大，而iPS细胞主体较软，细胞间粘附区较硬。由以上测试可知，利用原子力显微镜对iPS细胞进行表征，有潜力发展为正常细胞筛选以及剔除癌变细胞的合适工具。本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

布鲁克公司原子力显微镜技术及用户研讨会在京举行　　仪器信息网讯 2011年9月8日，布鲁克(Bruker)公司原子力显微镜技术及用户研讨会在国家会议中心与China Nano 2011同期举行，来自全国各地的100多位专家学者出席了此次会议，共同参观体验了布鲁克Dimension FastScanTM AFM(原子力显微镜)新产品。 工程师现场演示 用户参观体验 客户服务热线：010- 5833 3252 邮箱：sales.asia@bruker-nano.com 布鲁克Dimension FastScanTM AFM参展China Nano 2011　　Dimension FastScanTM AFM是布鲁克公司最新发布的一款具有创新性和独特外形的原子力显微镜产品，拥有38项专利技术，将扫描速度、图像分辨率、精确度和噪音控制完美结合，在不损失Dimension® Icon® 超高分辨率和卓越仪器性能的前提下，最大限度的提高了成像速度，从根本上解决了AFM成像速度慢的难题，大大缩短了各技术水平的AFM用户获得数据的时间。会议现场布鲁克公司中国区销售经理邹海涛先生致欢迎词　　邹海涛先生在致词中介绍到，布鲁克公司旗下拥布鲁克AXS、布鲁克拜厄斯宾(Bruker Biospin)、布鲁克光谱仪器(Bruker Optics)、布鲁克· 道尔顿(Bruker Daltonics)、布鲁克纳米技术(Bruker Nano)五大集团。其中，布鲁克纳米仪器部的前身是原Veeco公司纳米测试仪器部，在原子力显微镜领域始终处于领先地位，现在中国已经拥有1000多位仪器用户。布鲁克公司现在中国已设有北京和上海2个分支机构，并分别建立了Demo实验室。目前布鲁克正在北京筹建中国CCC(Customer Care Center)中心，预计将在2011年年底建成，届时该中心将会拥有10台用于培训及服务支持的仪器，并由布鲁克公司服务工程师孙昊博士负责。 布鲁克公司美国总部工程与测试资深经理黄林博士报告主题：布鲁克公司扫描探针显微镜检测技术的最新进展　　黄林博士说到，如何在不牺牲纳米级分辨率的前提下提高扫描探针显微镜的成像速度一直是AFM用户想要实现的愿望，也是布鲁克在原子力显微镜技术上的努力方向之一。今天布鲁克公司推出的Dimension FastScanTM快速扫描系统，就可以在不降低分辨力、不增加设备复杂性、不影响仪器操作成本的前提下，帮助用户实现即时快速得到高分辨高质量AFM图像的愿望。同时，黄林博士在会上还展示了这款新品丰富的应用视频资料，使得听会者纷纷对Dimension FastScanTM AFM的超快扫描速度和超高图像分辨率发出惊叹之声。布鲁克公司纳米表面仪器部亚太区应用经理孙万新博士报告主题：纳米空间尺度上材料物化性质的高分辨定量测量　　孙万新博士首先介绍到，原子力显微镜可以测量材料物理性质、力学性能、磁学性能、热学性能、电学性能等方面的一些特征信息，但在获得样品定量数据时却一直面临着很大挑战。根据这种现状，孙万新博士重点介绍了布鲁克公司的MultiMode 8 ScanAsyst HR(高速)与PFTUNA(Peak Force Tapping Tunneling)这两款原子力显微镜的性能特点与技术优势。最后，孙万新博士在报告中重点强调了如何通过AFM图像获得样品的定量表征信息，并向听会者介绍了原子力显微镜与拉曼光谱在联用方面的一些最新动态。北京大学李彦教授报告主题：基于AFM技术的纳米结构原位构筑和表征　　李彦教授表示，AFM可以使用纳米尺度的探针，并具备对探针在表面上的移动进行精确控制的特点，据此可以使用AFM在表面上可控制备出各种无机功能纳米结构，这种扫描探针刻蚀技术是由美国西北大学Mirkin等人于1999年提出的，被称为AFM蘸笔刻蚀技术。随着纳米科技的发展，各种纳米器件的构筑逐渐成为研究的重点，而利用蘸笔刻蚀技术在表面上制备各种功能无机纳米材料组成的结构也成为了大家非常感兴趣的课题。目前，李彦教授带领的团队已在AFM构筑和表征无机纳米材料结构方面卓有建树，并与国际多个知名院校建立了合作关系。 颁奖典礼现场　　此外，会议的另一个环节是布鲁克公司第一届Nano奖学金颁奖典礼，共有10位来自全国各地知名院校的纳米相关专业的研究生或博士生获奖，布鲁克公司纳米表面仪器部亚太区销售总监时晓明先生以及邹海涛先生、黄林博士为获奖学生颁奖并合影。据了解，由于中国近年来在纳米科研与应用领域的飞速发展有目共睹，因此布鲁克公司将第一届Nano奖学金设立在中国，以奖励那些在纳米科学与技术相关领域贡献青春年华的年轻学者，并希望获奖学生能够以此为荣，再接再厉，为纳米科技的发展继续添砖加瓦!获奖者名单获奖者姓名指导教师所属学校杨柳邵志峰教授上海交通大学吴娜胡钧研究员、李宾副研究员上海应用物理研究所陈冰冰胡斌教授华中科技大学彭飞李彦教授北京大学刘凯张希教授清华大学张黎明刘忠范教授北京大学张旭万立骏研究员中科院化学所王晨轩王琛研究员、杨延莲研究员国家纳米科学中心黄逸凡田中群教授厦门大学柏浩江雷研究员国家纳米科学中心

作者: Sang-Joon Cho, Park Systems Corp.副总裁兼研发中心总监、Ilka M. Hermes, Park Systems Europe 首席科学家利用原子力显微镜进行的自动缺陷复检，通过纳米级的分辨率在三维空间中可视化缺陷。因此，纳米级成像设备是制造过程的一个重要组成部分，它被视为当今半导体行业中最理想的技术。结合原子力显微镜的三维无创成像，使用自动缺陷复查对缺陷进行精确检测和准确分类。 与时俱进的光刻工艺使得生产的半导体器件越来越微小化。器件尺寸一旦减小，晶圆衬底上的纳米级缺陷就限制了器件的性能使用。因此对于这些缺陷的检测和分类需要具有纳米级分辨率的表征技术。由于可见光的衍射极限，传统的自动光学检测（AOI）无法在该范围内达到足够的分辨率，进而损害定量成像和随后的缺陷分类。而原子力显微镜 (AFM) 自动缺陷复检 (ADR)技术则有效地解决了该问题。该技术利用 AFM 常用的纳米分辨率，能够在三维空间中可视化缺陷，大大减少了缺陷分类的不确定性。因此，ADR-AFM 成为了当今半导体行业缺陷复检最理想的技术。缺陷检查和复检由于摩尔定律，半导体器件变得越来越小，需要检查的缺陷（DOI）大小也在减小。DOI可能会降低半导体器件性能的缺陷，因此对工艺良率的管理非常重要。DOI尺寸的减小对缺陷分析来说是一个挑战。合适的表征技术必须能够在两位数或一位数纳米范围内以高横向分辨率和垂直分辨率对缺陷进行无创成像。一般来说，半导体行业的缺陷分析包含两个步骤。第一步：缺陷检测。利用吞吐量虽高但低分辨率的快速成像方法，如扫描表面检测系统（SSIS）或AOI。这些方法可以提供晶圆表面缺陷位置的坐标图。然而，由于分辨率较低，AOI和SSIS在表征纳米尺寸的DOI时提供的信息不足，接下来需要依赖高分辨率技术进行缺陷复检。第二步：缺陷复检。利用高分辨率显微镜方法，如透射电子显微镜(TEM)或扫描电子显微镜(SEM)或原子力显微镜（AFM）。通过使用缺陷检测的缺陷坐标图，对晶圆表面的较小区域进行成像，以解析DOI。利用AOI或SSIS的坐标图可以最大限度地减少检查的扫描区域，从而缩短缺陷复检的测量时间。众所周知，SEM和TEM的电子束可能会对晶圆造成损伤，而非接触测量模式的AFM则有效地避免了该影响。它不仅可以无创地扫描表面，还有高横向和垂直分辨率对缺陷进行成像。因此，原子力显微镜能提供可靠的缺陷定量所需的三维信息。原子力显微镜通过在悬臂末端使用纳米尺寸的针尖对表面进行机械扫描，AFM在传统成像方法中可达到最高的垂直分辨率。除接触模式外，AFM还可以启用动态测量模式，即悬臂在样品表面上方振荡。由此，振幅或频率的变化提供了有关样品形貌的信息。这种非接触AFM模式确保了以高横向和垂直分辨率对晶圆表面进行无创成像。随着自动化原子力显微镜的更新发展，原子力显微镜的应用越来越广泛，从学术研究扩展到了如硬盘制造和半导体技术等工业领域。该行业开始关注AFM的多功能性及其在三维无创表征纳米结构的能力。因此，AFM正发展成为用于缺陷分析的新一代在线测量解决方案。使用原子力显微镜自动缺陷复检AFM 缺陷复检技术的最大挑战之一是将缺陷坐标从 AOI 转移到 AFM。基于此，用户最初会在 AOI 和 AFM 之间的附加步骤中，手动在光学显微镜上手动标记缺陷位置，然后在 AFM 中搜索这些位置。然而，这个额外的步骤不仅非常耗时还大大降低了吞吐量。另外，使用 AFM 的自动缺陷复检需要从 AOI 数据中导入缺陷坐标。而缺陷坐标的导入需要准确对准晶圆及精减AOI 和 AFM 之间的载物台误差。位置精度比AOI 更高的光学分析工具（例如Candela）,可以有效减少中间校准步骤中的载物台误差。以下 ADR-AFM 测量包括在给定缺陷坐标处的大范围调查扫描、缺陷的高分辨率成像和缺陷分类。自动化的测量过程无需用户在场，吞吐量还增加了一个数量级。为了保持纳米级的针尖半径和连续扫描依旧保持高分辨率，ADR-AFM 采用非接触式动态成像模式。因此，ADR-AFM 可有效防止探针针尖磨损并确保对缺陷进行精确地定量复检。△图1：用AOI和ADR-AFM测定的缺陷尺寸的直接比较，见左侧表格。右侧显示了所有六种缺陷的相应AFM形貌扫描。突出的缺陷称为Bump，凹陷的缺陷称为Pit。AOI和ADR-AFM的比较图1比较了 AOI 和 ADR-AFM 在相同纳米级缺陷下所产生的不同缺陷复检结果。AOI 根据散射光的强度估计缺陷的大小，而 ADR-AFM 则通过机械直接扫描缺陷表面进行成像。除了横宽，ADR-AFM 还测量缺陷的高度或深度，从而可以区分凸出的“bump”和凹陷的“pit”缺陷。可视化的缺陷三维形状确保了缺陷分类的可靠性和精确性，而这些是AOI无法实现的。当对比分别利用 AOI 和 ADR-AFM 确定缺陷的大小时，我们发现通过 AOI 估计的值与通过 ADR-AFM 测量的缺陷大小存在很大差异。对于凸出的缺陷，AOI 始终将缺陷大小低估了一半以上。这种低估对于缺陷 4 尤其明显。在这里，AOI 给出的尺寸为 28 nm ，大约是 ADR-AFM 确定的 91 nm 尺寸的三分之一。在测量“pit”缺陷 5 和 6 时,我们观察到了 AOI 和 ADR-AFM 之间的最大偏差。AOI将尺寸在微米范围内的缺陷低估了两个数量级以上。上述比较清楚地表明，仅用AOI不足以进行缺陷的成像和分类。△图2：ADR-AFM 和 ADR-SEM 之间的比较，a) ADR-SEM 之前遗漏的凸出缺陷的 AFM 图像。ADR-SEM 扫描区域在 AFM 形貌扫描中显示为矩形。b) 低高度 (0.5 nm) 缺陷的成像，ADR-SEM 无法解析该缺陷。c) ADR-SEM 测量后晶圆表面上的电子束损伤示例，可见为缺陷周围的矩形区域。ADR-SEM和ADR-AFM的比较除了ADR-AFM， ADR-SEM 也可以进行高分辨率的缺陷复查。ADR-SEM根据AOI数据中的DOI坐标，通过SEM测量进行自动缺陷复检。在此期间，高能电子束扫描晶圆表面。虽然SEM提供了很高的横向分辨率，但它通常无法提供有关缺陷的定量高度信息。为了比较ADR-SEM和ADR-AFM的性能，首先需要通过ADR-SEM对晶圆的相同区域进行成像，然后通过ADR-AFM进行测量（图2）。AFM图像显示，ADR-SEM扫描的晶圆表面发生了变化，在图2a中，AFM形貌显示为矩形。由于ADR-AFM中ADR-SEM扫描区域的可视性，图2a表明ADR-SEM遗漏了一个突出的缺陷，该缺陷位于SEM扫描区域正上方。此外，ADR-AFM具有较高的垂直分辨率，其灵敏度足以检测高度低至0.5nm的表面缺陷。由于缺乏垂直分辨率，这些缺陷无法通过ADR-SEM成像（图2b）。此外，图2c通过总结高能电子束对样品表面造成的变化示例，突出了电子束对晶片造成损坏的风险。ADR-SEM扫描区域可以在ADR-AFM图像中识别为缺陷周围的矩形。相比之下，无创成像和高垂直分辨率使ADR-AFM非常适合作为缺陷复检的表征技术。结论随着现代技术不断创新，半导体器件尺寸不断减小，原子力显微镜作为一种高分辨率、无创的缺陷分析方法在半导体工业中的作用越来越明显。AFM自动化的测量简化并加快了之前AFM在缺陷表征方面低效的工作流程。AFM自动化方面的进展是引入ADR-AFM的基础。在ADR-AFM中，缺陷坐标可以从之前的AOI测量中导入，随后基于AFM的表征不需要用户在场。因此，ADR-AFM可作为缺陷复检的在线方法。特别是对于一位或两位级纳米范围内的缺陷尺寸，ADR-AFM补充了传统的AOI性能，AFM的高垂直分辨率有助于进行可靠的三维缺陷分类。非接触式测量模式确保了无创伤的表面表征，并有效防止AFM针尖磨损，从而确保在许多连续测量中能够依旧保持精准的高分辨率。

利用原子力显微镜进行的自动缺陷复检可以以纳米级的分辨率在三维空间中可视化缺陷，因此纳米级成像设备是制造过程的一个重要组成部分，它被视为半导体行业中的理想技术。结合原子力显微镜的三维无创成像，使用自动缺陷复查对缺陷进行检测和分类。伴随光刻工艺的不断进步，使生产更小的半导体器件成为可能。 随着器件尺寸的减小，晶圆衬底上的纳米级缺陷已经对器件的性能产生了限制。 因此对于这些缺陷的检测和分类需要具有纳米级分辨率的表征方法。 由于可见光的衍射极限，传统的自动光学检测（AOI）无法在该范围内达到足够的分辨率，这会损害定量成像和随后的缺陷分类。 另一方面，使用原子力显微镜 (AFM) 的自动缺陷复检 (ADR)技术以 AFM 常用的纳米分辨率能够在三维空间中可视化缺陷。 因此，ADR-AFM 减少了缺陷分类的不确定性，是半导体行业缺陷复检的理想技术。缺陷检查和复检随着半导体器件依靠摩尔定律变得越来越小，感兴趣的缺陷（DOI）的大小也在减小。DOI是可能降低半导体器件性能的缺陷，因此对工艺良率管理非常重要。DOI尺寸的减小对缺陷分析来说是一个挑战：合适的表征方法必须能够在两位数或一位数纳米范围内以高横向和垂直分辨率对缺陷进行无创成像。传统上，半导体行业的缺陷分析包括两个步骤。第一步称为缺陷检测，利用高吞吐量但低分辨率的快速成像方法，如扫描表面检测系统（SSIS）或AOI。这些方法可以提供晶圆表面缺陷位置的坐标图。然而，由于分辨率较低，AOI和SSIS在表征纳米尺寸的DOI时提供的信息不足，因此，在第二步中依赖高分辨率技术进行缺陷复检。对于第二步，高分辨率显微镜方法，如透射或扫描电子显微镜（TEM和SEM）或原子力显微镜（AFM），通过使用缺陷检测的缺陷坐标图，对晶圆表面的较小区域进行成像，以解析DOI。利用AOI或SSIS的坐标图可以最大限度地减少感兴趣的扫描区域，从而缩短缺陷复检的测量时间。众所周知，SEM和TEM的电子束可能会对晶圆造成损伤，所以更佳的技术选择应不能对晶圆产生影响。那么选择采用非接触测量模式的AFM可以无创地扫描表面。不仅有高横向分辨率，AFM还能够以高垂直分辨率对缺陷进行成像。因此，原子力显微镜提供了可靠的缺陷定量所需的三维信息。原子力显微镜通过在悬臂末端使用纳米尺寸的针尖对表面进行机械扫描，AFM在传统成像方法中实现了最高的垂直分辨率。除了接触模式外，AFM还可以在动态测量模式下工作，即悬臂在样品表面上方振荡。在这里，振幅或频率的变化提供了有关样品形貌的信息。这种非接触AFM模式确保了以高横向和垂直分辨率对晶圆表面进行无创成像。由于自动化原子力显微镜的最新发展，原子力显微镜的应用从学术研究扩展到了如硬盘制造和半导体技术等工业领域。该行业开始关注AFM的多功能性及其在三维无创表征纳米结构的能力。因此，AFM正在发展成为用于缺陷分析的下一代在线测量解决方案。使用原子力显微镜自动缺陷复检基于 AFM 的缺陷复检技术的最大挑战之一是将缺陷坐标从 AOI 转移到 AFM。最初，用户在 AOI 和 AFM 之间的附加步骤中在光学显微镜上手动标记缺陷位置，然后在 AFM 中搜索这些位置。然而，这个额外的步骤非常耗时并且显着降低了吞吐量。另一方面，使用 AFM 的自动缺陷复检从 AOI 数据中导入缺陷坐标。缺陷坐标的导入需要准确对准晶圆以及补偿 AOI 和 AFM 之间的载物台误差。具有比 AOI 更高位置精度的光学分析工具（例如Candela）,可以减少快速中间校准步骤中的载物台误差。以下 ADR-AFM 测量包括在给定缺陷坐标处的大范围调查扫描、缺陷的高分辨率成像和缺陷分类。由于自动化，测量过程中用户不必在场，吞吐量增加了一个数量级。为了保持纳米级的针尖半径，使多次后续扫描依旧保持高分辨率，ADR-AFM 采用非接触式动态成像模式。因此，ADR-AFM 可防止探针针尖磨损并确保对缺陷进行精确地定量复检。图1：用AOI和ADR-AFM测定的缺陷尺寸的直接比较，见左侧表格。右侧显示了所有六种缺陷的相应AFM形貌扫描。突出的缺陷称为Bump，凹陷的缺陷称为Pit。AOI和ADR-AFM的比较图1比较了 AOI 和 ADR-AFM 对相同纳米级缺陷的缺陷复检结果。AOI 根据散射光的强度估计缺陷的大小，而 ADR-AFM 通过机械扫描直接缺陷表面进行成像：除了横向尺寸外，ADR-AFM 还测量缺陷的高度或深度，从而可以区分凸出的“bump”和凹陷的“pit”缺陷。 缺陷三维形状的可视化确保了可靠的缺陷分类，这是通过 AOI 无法实现的。当比较利用 AOI 和 ADR-AFM 确定缺陷的大小时，发现通过 AOI 估计的值与通过 ADR-AFM 测量的缺陷大小存在很大差异。对于凸出的缺陷，AOI 始终将缺陷大小低估了一半以上。 这种低估对于缺陷 4 尤其明显。在这里，AOI 给出的尺寸为 28 nm ，大约是 ADR-AFM 确定的尺寸为 91 nm 的三分之一。 然而，在测量“pit”缺陷 5 和 6 时,观察到了 AOI 和 ADR-AFM 之间的最大偏差。 AOI将尺寸在微米范围内的缺陷低估了两个数量级以上。 用 AOI 和 ADR-AFM 确定的缺陷大小的比较清楚地表明，仅 AOI不足以进行缺陷的成像和分类。图 2：ADR-AFM 和 ADR-SEM 之间的比较，a) ADR-SEM 之前遗漏的凸出缺陷的 AFM 图像。 ADR-SEM 扫描区域在 AFM 形貌扫描中显示为矩形。 b) 低高度 (0.5 nm) 缺陷的成像，ADR-SEM 无法解析该缺陷。 c) ADR-SEM 测量后晶圆表面上的电子束损伤示例，可见为缺陷周围的矩形区域。ADR-SEM和ADR-AFM的比较除了ADR-AFM，还可以使用 ADR-SEM 进行高分辨率缺陷复查。ADR-SEM根据AOI数据中的DOI坐标，通过SEM测量进行自动缺陷复检，在此期间，高能电子束扫描晶圆表面。虽然SEM提供了很高的横向分辨率，但它通常无法提供有关缺陷的定量高度信息。为了比较ADR-SEM和ADR-AFM的性能，首先通过ADR-SEM对晶圆的相同区域进行成像，然后进行ADR-AFM测量（图2）。AFM图像显示，ADR-SEM扫描位置的晶圆表面发生了变化，在图2a中，AFM形貌显示为矩形。由于ADR-AFM中ADR-SEM扫描区域的可见性，图2a说明ADR-SEM遗漏了一个突出的缺陷，该缺陷位于SEM扫描区域正上方。此外，ADR-AFM具有较高的垂直分辨率，其灵敏度足以检测高度低至0.5nm的表面缺陷。由于缺乏垂直分辨率，这些缺陷无法通过ADR-SEM成像（图2b）。此外，图2c通过总结高能电子束对样品表面造成的变化示例，突出了电子束对晶片造成损坏的风险。ADR-SEM扫描区域可以在ADR-AFM图像中识别为缺陷周围的矩形。相比之下，无创成像和高垂直分辨率使ADR-AFM非常适合作为缺陷复检的表征技术。结论随着现代技术中半导体器件尺寸的不断减小，原子力显微镜作为一种高分辨率、无创的缺陷分析方法在半导体工业中的作用越来越明显。AFM测量的自动化简化并加快了之前AFM在缺陷表征方面低效的工作流程。AFM自动化方面的进展是引入ADR-AFM的基础，在ADR-AFM中，缺陷坐标可以从之前的AOI测量中导入，随后基于AFM的表征不需要用户在场。因此，ADR-AFM可作为缺陷复检的在线方法。特别是对于一位或两位级纳米范围内的缺陷尺寸，ADR-AFM补充了传统的AOI，AFM的高垂直分辨率有助于可靠的三维缺陷分类。非接触式测量模式确保了无创伤表面表征，并防止AFM针尖磨损，从而确保在许多连续测量中能够维持高分辨率。作者:Sang-Joon Cho, Vice President and director of R&D Center, Park Systems Corp.Ilka M. Hermes, Principal Scientist, Park Systems Europe.