浅谈原子力显微镜( afm) 应用于纳米科学中的进展

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1、浅谈原子力显微镜(AFM)应用于纳米科学中的进展扫描探针显微镜(ScanningProbeMicroscopy，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HRohrer发明了具有原子级分辨率的扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope，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

2、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[4]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(AtomicForceMicroscopy，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

3、此使其在科研应用领域更加广阔。　　1AFM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

4、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(如图2)，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

5、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。　　2.1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.

6、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。邵丽等人应用AFM对胞外多糖S2在水溶液中的表观形貌进行观察。结果表明:不同质量浓度的胞外多糖S2经AFM成像，得到了不同形貌多糖分子聚集行为的图像。随外貌发生从膜状、岛屿状、X格状到单链/双链结构的变化。Sa

7、ngmin等人通过移液管制备5nm的Au纳米粒子、纳米线和聚二甲基硅氧烷(PDMS)沉积到基板纳米/微孔材料，并应用AFM对石英音叉(QTF)传感器进行了表面表征。Li等人应用AFM对制备的二氧化硅、金、石墨烯等包覆石墨烯的纳米材料进行了外貌表征和结合能检测。Mo等人应用AFM对通过自组装技术使不同的纳米材料修饰硅表面进行动力学和外貌的表征。Umeda等人应用AFM对制备的Pt纳米颗粒沉积修饰玻碳电极进行了外貌表征，成功地实现了直径为30～60nm的Pt纳米颗粒在任意间距的沉积。　　2.2力学分

8、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。L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。张慧等人研究报道用原子力显微镜采用PeadForceTapping模式对高分子材料进行力学性能表征时，选择不同弹性系数的探针对测试结果的影响关系。Rakshit等人在单分子水平上利用AFM拉伸带电多糖分子得到力-距离关系曲线，表明存在阶梯状构象改变，早期力值为