（光学专业论文）原子力显微镜在材料和生命科学中的应用研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 扫描探针显微镜( s c a 皿i n gp r o b em i c r o s c o p y ，s p m ) ，突破了衍射极限的限制，完 全不同于传统显微镜的概念，它采用细小到纳米尺度的探针在样品表面扫描，从而获得 样品的超微结构的信息。本文重点讨论的原子力显微镜( a t o m i c f o r c e m i c r o s c o p y ，a f m ) 就是s p m 大家族中重要的一员。原子力显微镜在材料科学和生命科学领域得到了广泛 的应用。 本文基于原子力显微镜系统，对超高密度近场光存储进行了初步的读写实验研究， 并得到了初步实验结果。实现了在g e 2 s b m ，薄膜上的“读”和“写”的过程，为今后的 研究工作奠定了基础，并提出了进一步改进的建议。 z n o 是族半导体，具有六角形纤锌矿结构，是一种很有前途的紫外光电器件 材料。本文分别利用原子力显微镜和拉曼光谱仪对其表面形貌、颗粒度、粗糙度和拉曼 光谱性能进行表征、分析，两种方法所得结论基本吻合。研究结果表明，z n o 薄膜结晶 度良好，颗粒分布均匀，具有良好的c 轴取向。原子力显微镜表征结果表明，氧分压小 于5 0 时，z n o 颗粒度和r m s 粗糙度随通入氧气分压增加而减小；氧分压大于5 0 时， z n o 颗粒度和r m s 粗糙度趋近于一常数。 原子力显微镜是生命科学领域有力的成像工具。本文利用原子力显微镜对大肠杆 菌、金葡球菌和犬肾上皮细胞的细胞表面结构进行了深入研究。 关键词：扫描探针显微镜；原子力显微镜；衍射极限 原子力显微镜在材料和生命科学中的应用研究 a p p l i c a t i o no fa t o m i cf o r c em i c r o s c o p e i nm a t e r i a la n dl i f es c i e n c e a b s t r a c t s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p e ( s p m ) b r e a kt h ed i f f r a c t i o nb a r r i e r s p m i s a b s o l u t e l y d i f f e r e n tf r o mt h ec o n v e n t i o n a lm i c r o s c o p e t h ep r o b e ，w h i c hs c a l ei ss e v e r a ln a n o m e t e r s ， s c a r l n $ a c r o s st h es u r f a c eo ft h es a m p l e s p mc a no b t a i nm o r eu l t r a s t r u c t u r ei n f o r m a t i o no f t h es a m p l e a t o m i cf o r c em i e r o s c o p e ( a r m ) i sa l li m p o r t a n tm e m b e ro fs p mf a m i l y a f mi s a l li m p o r t a n ta n du s e f u lt o o li nm a t e r i a la n dl i f es c i e n c e p r i m a r yi n v e s t i g a t i o no fh i g hd e n s i t yn e a r - f i e l do p t i c a lr e c o r d i n gi ss t u d i e db a s e do nt h e a f m s y s t e mi nt h i sp a p e r s o m ei m p o r t a n tr e s u l t sa r eo b t a i n e d h ep r o c e s so fw r i t i n ga n d r e a d i n go ng e 2 s b 2 t e 5f i l m si sa c h i e v e d e f f e c t i v ea d v i s e sa r ep u tf o r w a r dt oi m p r o v et h e w r i t i n ga n dr e a d i n gs y s t e mi nt h ef u t u r e z n o ，w h i c hi sas e m i c o n d u c t o ro fi i v ig r o u p ，i sau p - a n d - c o m i n gu vo p t o e l e c t r o n i c p a r t so fa na p p a r a t u s h i g he - a x i so r i e n t e dz n of i l m so ns i0 0 0 ) a r ed e p o s i t e db y r a d i o - f r e q u e n c yr e a c t i v em a g n e t r o ns p u t t e r i n g t h e r ea r es e v e r a lc h a r a c t e r i s t i c so fz n of i l m s a n a l y s e da n ds u d i e du s i n ga t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a r m ) a n dr a m a ns p e c t r o s c o p y ，s u c ha s t o p o g r a p h y ，g r a i n s ，r m sr o n g h n e s sa n dr a m a ns p e c t r o s c o p y i ti sf o u n dt h a tt h er e s u l t so f a t o m i cf o r c em i c r o s c o p ya t ea p p r o x i m a t e l ys a m ew i t ht h a to fr a m a ns p e c t r o s c o p y r e s u l t so f a f ma r ea sf o l l o w i n g w i t hi n c r e a s i n gt h eo x y g e np a r t i a lp r e s s u r ef r o m8 7 5 t o5 0 g r a i n sa n dr m sr o u g h n e s so fz n of i l m sd e c r e a s e d w h e nt h eo x y g e np a r t i a lp r e s s u r e e x c e e d s5 0 ，g r a i n sa n dr m s r o u g h n e s so fz n o f i l m si sf o u g h l yac o n s t a n t a f mh a sb e e nap o w e r f u la n du s e f u li m a g i n gt o o li nm a t e r i a la n dl i f es c i e n c e a f mi s u s e dt oi m a g ee s c h e r i c h i ac o l i ，s t a p h y l o c o c c u sa u r e u sc e l l sa n dd o g sk i d n e yc e l l t h e i r s u 血c cc o n s t r u c t i o na r ed e e p l yi n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p e ；a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ；d i f f r a c t i o nb a r r i e r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：毯舀日期趔墨q 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阆。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名盏婆 翮虢c 2 理2 年月日 f 大连理工大学硕士学位论文 引言 人类对于肉眼不可见的，微观的现象探索，从来没有停止过脚步。自从显微镜发明 以来，神奇、美丽的微观世界便展现在我们眼前，毫不夸张的说，显微镜成为人类视觉 的延伸。 显微镜的功能是帮助人眼识别相距很近的两点或两条平行线。能分辨的两点或两条 平行线之间的距离，就成为衡量显微镜功能的一个重要标准，成为分辨率。也就是说， 显微镜的分辨率越高，能分辨两点或两条平行线之间距离越小。当两点或两条平行线彼 此靠近到超出显微镜分辨率距离时，人眼即使通过显微镜也不能分辨出两点或两条平行 线，只能看到一个有两点组合而成的一个较大的点或较宽的线。换句话说，显微镜的分 辨率不可能无限的小，存在一个理论上的极限。这个极限是由于光的衍射效应引起的， 称为衍射极限。 随着科学技术的飞速发展，各种突破衍射极限的显微镜应运面生，但是各自采用的 方法和原理各有不同。本文介绍了主要以光学显微镜、电子显微镜、扫描探针显微镜为 代表的各种突破衍射极限的现代显微镜。其中又以扫描探针显微镜中的原子力显微镜的 应用为本论文重点内容。 本论文围绕本人研究生阶段工作展开，分为四章：第一章简单回顾了显微镜的发展 历史和分类，提出衍射极限的概念，并且分析了突破衍射极限的可行性和方法；第二章 详细介绍了原子力显微镜的工作原理、分类、局限性和应用展望等；第三章是原子力显 微镜在材料科学领域的应用，主要是基于原子力显微镜系统的超高密度近场光存储研究 和z n o 薄膜的表面形貌表征；第四章原子力显微镜在生命科学领域的应用，主要是利 用原子力显微镜对大肠杆菌、金葡球菌、犬肾上皮细胞的成像研究和表面结构分析。 原子力显微镜在材料和生命科学中的应用研究 1 显微镜概述 1 1 光学显微镜 1 6 6 5 年r o b e r th o o k c 发明了第一台光学显微镜，并用这台显微镜第一次观察到了 软木塞的细胞。后来l c c w c 札h c e k 改进了这台显微镜，看到了藻类细胞、鱼的血红细胞， 从此揭开了显微技术的序幕。 1 7 5 2 英国望远镜商人j d o h d 发明消色差显微镜。1 8 1 2 苏格兰人d b r c w s t c r 发 明油浸物镜，并改进了体视显微镜。1 8 8 6 德国人e r n s ta b b e 发明复消色差显微镜，并 改进了油浸物镜。至此普通光学显徼镜技术基本成熟【1 】。 除了各种各样的普通光学显微镜外，又出现了暗视野显微镜( d a r kf i e l dm i c r o s c o p e ) ， 它的聚光镜中央有挡光片，使照明光线不直接进入物镜，只允许被标本反射和衍射的光 线进入物镜，因而视野的背景是黑的，物体的边缘是亮的。利用这种显微镜能见到小至 4 0 2 0 0 n m 的微粒子，分辨率可比普通显微镜高5 0 倍。荷兰籍德国人f r i t sz c r n i k c 于1 9 3 2 年成功试制了第一台相村显微镜，并因此获得了1 9 5 3 年诺贝尔物理奖。该显微镜是通 过空间滤波器将物体的相位信息转换为相应的振幅信息，从而大大提高透明物体的可分 辨性。 光学显微镜的技术不断提高，分辨率已经达到了理论极限2 0 0 a m 。但是，物质的微 观结构非常小，其大小只能用微米或纳米来计量，如病毒、生物分子i 原子等。什么是 光学显微镜的分辨极限呢? 1 2 光学显微镜的衍射极限 在量子物理学中，共轭动力学变量坐标尹和动量卢是不能同时精确确定的，它们在 测量中的不确定度缸和肇受海森伯测不准关系约束：篮肇j i ，式中壳为普朗克常 数。动力学变量的分量x ，以；y ，p ，：z ，p ，的不确定值也满足同样的测不准关系， 比如： 皿。帆z 再，由于普朗克一爱因斯坦关系为哥拓( f 为波矢，波矢的模七为波数， | - 1 g ，波矢的方向代表光的传播方向) ，那么测不准关系可以描述为：a f 七1 ， 缸址z 七1 ，其中f 为波矢的测不准量。从测不准关系可以推导出瑞利判据，如图1 1 所示为在相距为血( 小到入眼看不见) 的a 、b 两点，对一个很大的物镜的孔径角为口。 大连理工大学硕士学位论文 通过显微镜分辨的最小值缸。就是分辨极限，也就是瑞利判据中的分辨极限。假设发 自a 、b 两点的两束光波长相等，即k l - k ：- 七，只是二者传播方向不同，也就是波矢 和t 的方向不同，它们之间的夹角为2 0 ，则波矢丘和t 在石方向的差值为： 七，- 地一2 k s i n 8 当日。石2 时，也达到它的最大值七，从而从也达到最大值教：从一2 k - 2 ，a 根据测不准关系，在越达到最大值时，缸必须取最小值缸。，那么根据测不准关系有： 缸一战。2 1 ，得到瑞利判据：缸。己a 1 2 x 百i! a 卜挂3 一 图i i 相距为缸的a 、b 两点的分辨示意图 f i g 1 1r e s o l u t i o no ft w op o i n t sw i t hd i s h m l c f io f 缸s k e t c hm a p ：公式缸。苫a 2 的推导说明从铡不准关系可以导出瑞利判据，也就是说，瑞利判距 实际上是测不准关系的一种描述，但瑞利判据只能适用于远场，而测不准关系可同时适 用于描述离物体距离大于或小于一个波长的远场和近场的分辨极限判据【2 】。 1 3 突破光学显微镜的衍射极限的理论分析 从海森伯测不准原理可以知道，同时精确测定位置和动量等共轭物理量是不可能 的，但是，如果对一个共轭量的测量精度不作要求，则另一共轭物理量精度的测量却是 不受限制的，也就是说，测不准原理对分辨率的测量并没有限制，那么突破衍射极限a 2 是完全可能的。 从波矢的色散关系可以知道：k 2 一七；+ 七；+ 七；，那么可以推出：t - 忙2 一七；一七；产 如果k = 为虚数，即t2 k s ，其中毒，为实数。那么将会有k 。 旧t 此时 a k - 2 k x 2 k a k ，根据测不准原理推出的公式必然导致缸ca 2 也就是说在波矢为复数时，衍射极限a 2 是可以突破的。但是同时看到，横向分辨率缸 原子力显微镜在材料和生命科学中的应用研究 突破衍射极限是以纵向波矢o z 为虚数为条件的。从光波场的分布可以知道条件意味着对 应于席：的电磁场是沿z 向呈指数衰减的。换句话说，突破衍射极限的超分辨必须以电磁 场的高度局域性为代价的。 扩，f ) 一u o ，y ，z ) e x p i ( k x + k y y + k ：z 一晰) 】 - u o ，_ ) ，z ) e x p f f ( k ，工+ k r y 一w ) - k ，z 】 既然当波矢七为复数时分辨率可以突破衍射极限，那么光波场的一般特性或者说分 布如何则是近场光学的一个重要内容。现在考虑一种情况，假设波矢在x 、y 方向的 分量k ，和k 。是实数，在z 方向的分量为虚数次，时，光波场的一般特征。具体来说是这 样一个问题：样品受激发后内部电偶极跃迁引起的电磁场，从样品表面向自由空间传播。 假设在距离样品为零的位置( ：一0 ) ，光波场的分布为( ，o ，y ，o ) ，那么由于波的衍射 或传播作用，在距离样品为z 的位置，新的场分布u o ，y ，z ) 是如何表达的。 由付里叶变换可以把u ( x ，y ，0 ) 写成其角谱a 西，拜) 的傅氏逆变换，即 u ( x ，y ，o ) 。舭帆n ) e x p 2 n ( m x + n y ) d m d n 而 伽，肛) 为u ，y ，0 ) 的傅氏变换： 积，疗) 一r f 口p ，y ，o ) e x p - 2 , a ( m x + n y ) l a r a y 曙 m 、雄均为角空间频率，其量纲当然是单位长度的倒数。从公式可以看出，付里叶空间 中的高空间频率对应于实空间( 样品表面空间) 小的间距，也就是说对应于样品的精细结 构。在距离物体表面距离z 处的场分布，即经过传播后的场的分布【，0 ，y ，工) 可以表示为： u o ，y ，力一“( 肼 z ) e x p 2 a ( m x + n y ) l a m a n 名 而4 咖，厅) 和a ( m ，疗，z ) 的关系则可以用来描述传播前与后的场分布的角谱传播过程。可 以用标量的h e l m h o l t z 波动方程： v 2 u + 七2 u o 来描述这种关系。当7 足够小时，这个微分方程的解的形式为： 大连理工大学硕士学位论文 彳，甩，z ) 一 伽，n ) e x p ( i k ：) 厶咖，n ) e x p 2 n ( 1 x ) 2 一臃2 一n 2 】1 2 z 代入z 位置的场分布得到： u o ，) ，z ) 一刀“( 胁，万) e x p 2 瓜 , n x + n y + ( ( 1 砰一m 2 - - 7 1 2 ) “2 z 聃胁 从上一小节推导中知道，如果k ：为实数，伽a ) 2 + o a ) 2t 1 时是不能突破衍射极限的。 此时公式可写成如下形式： u ( x ，y , z ) - 。( i t , 1 ) e x p 2 n m x + n y + 届万i i 蝴 此时的m 、玎对应于在z - 0 处样品低频信息( 或大结构) ，也就是角分布谱中的远场。 相反，如果t 为虚数，即伽a ) 2 + o a ) 2 ，1 时是可以突破衍射极限的。公式可写成： u 仁，y ，z ) 一r f h 似，n ) e x p 2 = m x + 掣一f 、历2 棚2 - ( 1 4 ) 2 z d d m d 1 崔 此时的m 、 对应于在z - 0 处的样品高频信息( 或样品的精细结构) 。也就是说此光波 场是一个在样品平面( ，y ) 方向上传播，而沿z 方向呈指数衰减的隐失场。隐失场 通常有两种方法可以产生，其一是通过全内反射产生隐失场；其二是通过光和样品的精 细结构相互作用产生隐失场。由于隐失场沿z 方向呈指数衰减，它实际上只能存在于临 近( z ，y ) 平面的近场区，也就是说样品的精细结构信息不能传输到远场去，而被限 制在接近样品表面的近场区。从上述得知分辨率突破衍射极限只能在隐失场中实现；也 就是说，突破分辨衍射极限的超分辨的成像探测的信息，只能从近场区的隐失场中获取。 从以上分析知道，受到激发后产生的电磁场，在从样品表面到自由空间的传播过程 中可以分为两个区域，一个是距离样品表面一个波长内的近场区，另一个是近场以外到 无穷远的远场区。近场区包括由于精细结构引起的隐失波和粗结构引起的传输波；远场 则只包括由粗结构引起的传输波。 1 4 突破衍射极限的显微镜 1 4 1突破衍射极限的光学显微镜 荧光显微镜由于其自身的特殊性和敏感性，在生物成像领域有极其强大的优势，然 而它同样受到衍射极限的限制。然而，2 0 0 6 年末，德国的h e l l 等【3 】，巧妙的利用r e s o l f t 显微镜突破了衍射极限的限制。r e s o i f f 显微镜利用了在两个标记的亚稳态( a 和b ) 原子力显微镱在材料和生命科学中的应用研究 之间的剐嚣o u 可，突破了衍射极限的限制。这种显微镜的分辨率满足： 】 a x - _ _ 二、= 号，其中，亭为饱和跃迁的饱和因数。在r e s o i f t 显微镜中，如果能 2 n $ 1 n 口1 + 芋 够使亭一。，那么a 】【一0 ，也就是说r e s o i f r 显微镜的分辨率将不受衍射极限的限 制! r e s o i f t 显微镜的基本原理。如果照明光强为l ( x ) ，其中在石- 处i ( ) - - 0 ； i ( x 。) 卜0 ，因此从能级a b 的跃迁会在除了而点以外的地方发生。通过增大职) 的最大值m a x i ( x ) ，是a 和b 能级达到饱和，从而使能级a 被限定在j 土a x 2 的狭窄 区域。假设a 是一个荧光态，在毛附近的这个狭窄区域将可能产生荧光，而且这个区 域的宽度可以被压缩到分子尺度。可以通过在观测样品上移动零强度点，并随后记录每 个坐标点的荧光来得到样品的整幅图像。这里的零强度点并不是唯一的，可以扩展多个 零强度点或线，用照相机连续记录图像。 能级a b 的跃迁几率七。- 引o ) ，其中口为a b 的发射截面对于r e s o l f r 显微镜，分辨率由竞争过程的几事昕决定。竞争过程的几率又会阻碍a - * b 饱和。假设 竞争过程是从b a 的自发跃迁，自发跃迁几率为皇。因为哆。 k j u ，又k - 以o ) ， 得到i ( x ) k a - k ，其中l 为饱和光强。对给定的光强i ，满足m a x f l ( x ) 】亭乙 计算得出言 1 ，所以分辨率缸将突破衍射极限的限制。 图1 2r e s o l f 显微镜结构示意图 f i 9 1 2 s t r u c t u r eo fr e s o l f t m i c r o s c o p e 受激发射损耗( s t e d ) 显微镜是r e s o l f r 显微镜的一种。荧光分子态a ，通过 受激发射退激到b 。因为口= 1 0 - 1 7 册2 ，k ，。i n s 一，所以s t e d 显微镜的饱和光强 l = 七，。仃一1 0 0 m w c m 2 。因此，s t e d 显微镜可以使分辨率达到m 5 0 ，但是这种方 法必须要有一台皮秒激光器来推进诱导多光子漂白燃料。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 通过在荧光蛋白在两个构想的态之间跃迁产生的微弱荧光，使光学显微镜突破了衍 射极限的限制。 1 4 2 电子显微镜和扫描探针显微镜 突破光学显微镜的分辨极限一直是人们的梦想，科学家们为此也付出了毕生精力。 目前为止，除了上面介绍最新发明的光学显微镜外，突破光学显微镜分辨极限的显微镜 主要有两种：电子显微镜和扫描探针显微镜。 衍射极限a 2 的存在，成为光学显微镜提高分辨率的瓶颈。必须通过减小波长来提 高显微镜的分辨率，电子显微镜就是基于这一工作原理。由d eb r o g l i e 提出的物质波概 念：a = h m y ，可知告诉运动的电子可以具有极小的波长。高速运动的电子在电磁场中 可以被折射和聚焦，波长为o 0 0 5 r i m 的电磁波要比绿色可见光波长小1 0 5 ，可见采用短 波长电磁波是提高显微镜分辨率极为有效的途径。电子显微镜分为两类，扫描电镜 ( s e m ) 和透射电镜( t e m ) ，其分辨率最高可达0 0 1 r i m ，放大倍率可达8 0 万一1 0 0 万倍。 扫描探针显微镜( s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p y ，s p m ) 完全失去了传统显微镜的概念， 它采用细小到纳米尺度的探针在样品表面扫描，从而获得样品的超微结构的信息。本文 重点讨论的原子力显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ，a f m ) 就是s p m 大家族中重要的 一员【4 】。 图1 3 显微镜的发展历史 f i g1 3h i s t o r yo fm i c r o s c o p e 原子力显微镜( a f m ) 的发明还要从扫描隧道显微镜( s t m ) 说起【5 6 】。b i n n i n g 和r o h r c i 【7 】通过对量子隧道效应得应用研究，与1 9 8 1 年发明了扫描隧道显微镜。s t m 的基本原理是利用量子理论中的隧道效应，如图1 3 所示。将原子线度的极细探针和被 研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离很近时( 通常小于1 r i m ) ，在外加 电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。 堕堕掣笋黧通票藏 ，v 一 匾一医 原子力显微镜在材料和生命科学中的应用研究 图1 4 扫描隧道显微镜的原理图 f i 9 1 4n ep 血d p l e o fs c a n n i n gt u n n e lm i c r o s c o p y 扫描隧道显微镜( s 1 m ) 有着极高的分辨率，可以得到清晰的原子像。然而，由于 s 1 m 自身工作原理所造成的局限性也是显而易见的，即s 1 m 所观察的样品必须具有一 定程度的导电性。如果在样品表面覆盖导电层，由于导电层的粒度和均匀性等问题又限 制了真实表面的分辨率。1 9 8 6 年，由b i n n i n g 等人【8 】在s t m 的基础上研制成功的原子 力显微镜( a f m ) 横空出世，解决了s t m 的样品导电性问题。a f m 可以观察任何样品， 可以在任何条件下成像，甚至在液体内，而且使人类在实域空间的横向测量分辨率达到 了原子级水平。a f m 的结构、工作原理以及分类将在第二章详细介绍。 8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 原子力显微镜 2 1 原子力显微镜的工作原理 图2 1 原子力显微镜的工作原理示意图 f i g2 1t h ep r i n c i p l eo fa t o m i cf o r c em i c r o s c o p y s t m 的局限性是显而易见的，它不能应用在绝缘材料上。因此1 9 8 6 年a f m 一原子 力显微镜的问世，人类在实域空间的横向分辨率达到了原子级水平。 如图2 1 所示，是a f m 的工作原理：将一个对微弱力及其敏感的长为1 0 0 2 0 0 微米 的s i 或s i 3 n 4 材料的微悬臂一端固定，另一端有一个针尖，针尖与样品表面轻轻接触， 针尖尖端原子与样品表面原子间的及其微弱的作用力，使微悬臂发生弯曲。通过检测微 悬臂背面反射出的红色激光光点在一个光学检测器上的位置的变化可以转换成力的变 化( 被反射激光点位置的变化或是微悬臂梁弯曲的变化与力的变化成正比) ，通过控制 针尖在扫描过程中作用力的恒定，同时测量针尖纵向的位移量，从而最终还原出样品表 面的形貌像。 原子力显微镜在材料和生命科学中的应用研究 图z 2 原子力显微镜控制简图 f i g2 2c o n 们lj m a g co f 孤o m i cf o r c em i c r o s c o p y 2 2 原子力显微镜的工作模式 图2 3 原子闻作用力随距离的变化关系 f i g2 31 h cr e l a l i o nk 咐e f o r c e 柚dd i s t a l l 一1 0 大连理工大学硕士学位论文 a f m 微悬臂的弯曲是几种力作用的结果，其中最普遍的是范德瓦耳斯力，针尖与 样品表面微弱的距离变化就能产生不同大小的范德瓦耳斯力，如图2 3 所示为在力曲线 中根据受力不同而划分的三个区域：接触区域、非接触区域以及间歇接触区域【9 】。以下 介绍的不同扫描模式分别是工作在图2 3 中不同区域。 2 2 1 接触模式( c o n t a c tm o d e ) 在接触模式中，针尖与样品表面的距离只有几个埃，产生的范德瓦尔斯排斥力大约 有0 1 - - 1 0 0 0 n n ，此外样品表面的薄层水膜产生的毛细作用力以及以及微悬臂自身的弹 性应力也同时存在。水分子向针尖的毛细移动会加剧毛细作用力，可达1 0n n ，能使样 品对针尖产生很强的黏附力，力的大小随针尖和样品表面距离的变化而变化。微悬臂自 身的力对样品作用就像是一个被压缩的弹簧的力。吸引力和排斥力的大小主要取决于微 悬臂的弯曲和弹性系数。在接触模式实际操作中，针尖通常是受到这些力的综合作用， 而且通过范德瓦尔斯排斥力来平衡针尖 2 2 2 轻敲模式( a cm o d eo rt a p p i n gm o d e ) 接触模式中横向力的存在，不利于表面接合弱和软样品的分析、成像。这是因为针 尖的横向滑动会破坏样品表面形貌特征，并可能导致结果图像不清晰。1 9 9 3 年出现的工 作在间歇接触区和非接触区的轻敲模式解决了这个问题。 在轻敲模式下，系统以接近微悬臂共振频率的频率振动，振幅大约为数十个纳米， 根据这种模式在力曲线中所处区域的不同和样品至针尖分离程度的不同可分为两类：间 歇接触模式和非接触模式。在轻敲模式中，针尖作用力主要是垂直方向的，没有横向力， 图像受针尖以及样品表面弱化效应的影响相应减小，而这种影响在接触模式下，尤其在 多次扫描后经常能被观察到，因此轻敲模式是软样品获得清晰图像的首选模式。针尖与 样品的相互作用力导致振动中微悬臂的振幅、相位移及频率发生改变，这些信息能很好 的体现在同时收集到的振幅图和相位图中。在轻敲模式下，系统检测微悬臂的频率或振 幅变化，并通过反馈回路上下移动扫描头以保持相应值得恒定。与接触模式类似，扫描 头在每个测量点的z 向移动用来获取高度图像数据，每个测量点处振幅的变化形成振幅 图像，而相位图像的数据对应于每个点处驱动高压输入信号与微悬臂振动输出信号的相 位差。因此，由于材料性能的差异，参照相位图像可以获得高度图像之外的有用信息， 样品表面精细的形貌特征一般可以从振幅图和相位图更好的体现出来。 在轻敲模式中，有两种驱动微悬臂振动的方式：一种是间接振动法，微悬臂的振动 是由扫描头上的压电陶瓷产生的高频声波来驱动，这种方法被称为声学驱动模式 ( a a c ) ；另外一种是直接振动法，微悬臂的振动是直接激发的，并不需要其他部件驱 原子力显微镜在材料和生命科学中的应用研究 动，这要通过装在微悬臂附近的一个磁线圈产生的交流磁场来驱动具有磁性的微悬臂， 如图2 4 所示，这种方法被称为磁力驱动模式( m a c ) 。m a c 模式可以获得更为单纯 的微悬臂响应，而不会激发出a a c 模式通常所固有的背景噪声，尤其是工作在液体内 时这种优势更为明显。 图2 4 磁力驱动a c 模式 f i g2 4m a g n e t i ca cm o d e 2 2 3 非接触模式( n o n - c o n t a c tm o d e ) 在非接触模式中，针尖保持在样品上方数十个到数百个埃的高度上，此时，针尖与 样品之间的原子间相互作用力为引力，表现为长程范德瓦尔斯作用力。在扫描过程中， 针尖不接触样品，而是以通常小于1 0 r i m 振幅始终在样品表面吸附的液质薄层上方振动。 针尖与样品之间的吸引力会降低微悬臂的共振频率，并导致振动的振幅发生减小。与间 歇接触模式和接触模式相比，非接触模式横向分辨率较低，这是由于针尖和样品分离所 限。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 4横向力扫描模式( i a t 啪lf o r c em o d e - - - l 啪 在接触模式下进行扫描时，原子力显微镜的探针在样品表面滑行，摩擦力和表面机 械形貌的变化会对微悬臂横向施加力的作用，从而引起微悬臂的横向偏转，最终反映到 激光检测器上( 图中横向力信号为( a + q ( b + d ) ) ，系统利用前面类似的提取信息的方 法，得到样品的横向力图。l f m 有利于研究具有摩擦力变化的表面。然而，由于表面 摩擦力和表面机械形貌都能影响微悬臂的横向偏转，所以通常要u = m 和a 1 1 讧图像同时 收集以便区分这两种信息源，例如可以综合考虑u m 像与高度图像以得到正确的分析 结果。 2 2 5 电流敏感扫描模式( c m r c n ts e n s i n ga t o m i cf o r c em j 铡联：0 p f c s a f l 田 与s t m 相比，常规的a f m 有一个缺陷，就是对样品的电学性能不敏感。这就使得 电流敏感扫描模式应运而生，它既能够获得通常a f m 的数据，又能获得样品表面层的 电性能图像。c s a f m 操作在接触模式下，在样品和导电针尖之间施加一个偏压，通过 测量电流的变化，来获取样品表面的导电图。与s t m 类似，电流与电压的关系曲线可 以在每个测量点进行测量。 ： 2 2 6 磁力模式( m a g n e t i cf o r c em i c r o s c o p e - - m f m ) 和静电力模式( e l e c t r o s t a t i cf o r c e m i c r o s c o p e - - - e f m ) 磁力模式和静电力模式都是通过a a c 模式进行的，其操作都是处在非接触区域。 系统检测针尖频率和相位由于原子间的磁力或者静电力作用导致的变化，这些力的作用 范围与范德瓦耳斯力相比，都是保持在针尖与样品间更大的距离。因此，m f m 和e f m 图像通常通过在用户选定的距离表面一定位置处针尖回扫过程中获取相应的频率和相 位图。如果距离变短时，则高度图数据占主要地位，在同一扫描区域，高度图通过将针 尖移动到间歇接触区域附近来收集。如果要从高度图像信息中分离出磁力和静电力数 据，就需要采集同一点不同距离处的一系列图像。 m f m 通过检测硬磁针尖和硬磁或顺磁样品之问的磁力作用，来观察磁性材料上的 未读写区域和读写过区域显现出的不同结构。 e f m 使用一个接地的导电针尖，在针尖和样品之间施加一个偏压，局部静电荷和 电荷势垒密度能够通过e f m 来测定。 2 2 7力调制模式( f o r c em o d u l a t i o nm o d c - - - f m m ) 当针尖和样品接触时，经过调制的针尖或样品可用于提取样品表面机械性能的信 息。力调制模式是接触模式的拓展，其对z 方向调制的频率和振幅远小于a c 模式。表 原子力显微镜在材料和生命科学中的应用研究 面机械性能( 如图2 5 所示) 的不同引起振幅和相位发生变化，从而得到的振幅和相位 对应得样品表面弹性和黏性数据，此时高度不同导致的影响可以忽略。 图2 5 力调制模式 f i g2 5f i ) r o cm o d u l 厕0 nm o d e 2 2 8 其他模式 其它a f m 扫描模式，还有诸如电容扫描模式、表面电势扫描模式( k c v i n 探针) 等等，总的来说都是a f m 不同扫描模式的拓展，区别在于采用不同的扫描探针，利用 探针与样品之间不同的作用模式，以及工作在不同的接触区域来获取信息。 2 3 原子力显微镜环境控制的重要性 与工作在超高真空下的传统电镜如t e m ( t r a 邶m i s s i e l e c t r o n 出o s c o p e ) 和 s e m ( s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e ) 相比，s p m ( s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p e ) 的最大优 越性在于它能够在不同的环境下工作，如超高真空、空气、液体( 含水或不含水) 等， 这也是s p m 发明以来能在生命科学、材料科学、物理科学以及工业上等领域越来越广 泛应用的主要原因。同时s p m 具有容易获得高分辨率、较简便的样品制备要求、实域 空间中的三维信息、液体中和电化学中的原位观察以及灵活的温度、湿度和气氛的控制 等因素。 尽管s p m 在空气中的成像技术已经很成熟，然而在多数情况下，分析得结果不是 很直观，样品表面总是存在一层水或者污染层，从而使得图像解析复杂化。因此，样品 表面的处理和扫描环境的控制不可忽视，使样品表面的状态更可预计。 大连理工大学硕士学位论文 在s t m 中，由于电子能级的复杂性，污染或氧化会影响样品表面与针尖的隧道结， 这样也就影响图像和图谱的质量。所以很多用s t m 来表征相貌和电子结构都是在超高 真空和原子尺度上“清洁”的表面上进行的。研究也表明由于存在能传递针尖力的污染 层，在空气下的s t m 的针尖和样品互相作用力通常要比在超高真空中高。故在某些情 况下分析s t m 所得的结果时，有必要将这种相互作用力考虑在内。 大气环境下，a f m 由于污染层或水膜产生很大的毛细作用力，这种力能影响微悬 臂的机械响应和图像的衬度。当水层增厚时，力曲线中显示的粘附力也随之增大，这通 常是由于空气中湿度增大造成的。它使针尖在样品表面的正常接触难度加大，并且使接 触模式和a c 模式图像清晰度降低，采用较软的微悬臂时更加明显。对于非接触式a f m ， 当毛细管力增大时，微悬臂被拽到样品表面，使得非接触模式操作失真。在一个封闭的 环境室中，通入干燥气体或适度加热样品，可以使样品表面更加干燥，湿度降低，从而 使成像质量大大改善。在c s a f m 模式中，针尖和样品间的电压会使污染层充电而影响 电性图像和谱线的结果。另一种方法是，在应用条件许可下，在液体中采集样品的形貌， 因为此时粘着力是各向同性的，非接触模式也可相对容易操作。在清洁液体中，如蒸馏 水、缓冲液和电化学控制的电解液，成像样品避免被逐步污染，保持表面清洁。而在没 有环境控制时，这一切是难以在空气中维持的。然而，必须提出的是，a c 模式在溶液 中由于液体阻尼的影响微悬臂的共振频率和振幅会减小许多。而在s t m 下，针尖除最 尖端部分外需要绝缘以减小针尖在液体中的法拉第楼电流，否则它会干扰隧道电流。因 此要仔细优化液体中s p m 成像条件。将t 开放的液体槽放入一个封闭的腔室中，可以减 少液体的蒸发，特别是易挥发的液体。 减少表面污染、降低粘着力以及避免样品表面不必要的化学反应( 例如金属表面的 氧化) 以保持样品表面的清洁是s p m 环境控制的主要目的之一。另外一方面，某些应 用或实验需要环境控制，尤其是许多原位实时研究：表面变化过程的研究可通过控制环 境腔室的特殊气氛来实现；升高或降低样品的温度；加入特殊溶液到液体槽中：或在电 化学条件下改变样品电压电流等。例如：通过控制聚合物样品到不同的加热温度和在环 境室中加入湿度变化的气体以控制相对湿度，以达到用a f m 和l f m 模式来研究温度和 湿度对聚合物样品的形貌和材料性能的影响；在生化研究中，经常通入不同溶质和容度 的流动液，以研究蛋白质d n a 的生理变化；在电化学研究中，则可以研究电极表面的 腐蚀，金属沉积，溶解，吸附以及表面的原子结构变化。 总之，s p m 环境控制的优越性不光体现在能保持样品表面清洁，避免污染，还表现 在控制湿度，控制a f m 扫描中的摩擦力和粘着力，避免表面不必要的化学反应，控制 原子力显微镜在材料和生命科学中的应用研究 导电液的电势，研究特殊气氛环境中和在特定温度下的样品等方面，还可有效地降低溶 液池液体的挥发，使s p m 操作更加方便。 2 i4 原子力显微镜的力曲线 原子力显微镜可以通过样品表面单个点的力曲线测量来研究材料的性能 1 0 1 。a f m 的力曲线主要是样品作用于针尖的z 向力和z 向距离的关系，严格的讲，力曲线是测量 由微悬臂弯曲引起的激光点反射值相对于压电陶瓷扫描头的z 向伸缩。除了范德瓦耳斯 力，样品自身的弹性性能也影响着力曲线。此外，样品表面污染，表面润滑剂以及空气 中进行a f m 测试时常常存在薄膜水层等，均会在力曲线的测量过程中有特征的反映。 如图2 6 所示，为一个力曲线测量周期中a f m 的微悬臂及针尖的动作流程，曲线 的右段表示压电陶瓷在收缩，针尖离开样品，微悬臂不受力弯曲：随着压电陶瓷的伸张， 针尖逐渐靠近样品表面，当接近到一定程度，针尖开始感受到范德瓦耳斯吸引力的作用， 在这之前微悬臂一直保持自然状态，等到针尖突然接触到样品表面，微悬臂开始向样品 表面弯曲；随着压电陶瓷的继续伸张，微悬臂的弯曲度也线性增加；等到压电陶瓷完全 伸张到达曲线的最左端时，压电陶瓷开始收缩，微悬臂也开始先前过程的逆向返回( 假 设没有迟滞现象) ，直到扫描头将针尖完全拉离样品表面。 i i l l i f b e 删 | 黼雪_ ze i 脚v o l 姆ze i 鲫v o l t a s e i23 f4 5 6 f 埘i n c m t x t m o d e 图2 6 力曲线微悬臂及针尖的动作流程 f i 9 2 6 f o 瞄s p c c t n 皿 大连理工大学硕士学位论文 当a f m 工作在空气中时，因为样品表面污染或水薄膜层的存在，会生成相应的很 强的毛细管黏附性的作用力，这就会使得力曲线中的返回曲线与前面并不完全相同，即 所谓的迟滞现象。如图2 6 ，当针尖被拉离表面时，水膜会吸附针尖使其继续与表面接 触，而且会使微悬臂朝表面反向发生明显的弯曲，弯曲度会因各个测量点处水膜厚度的 不同而不同，一旦扫描头施加在针尖的力超过该点的最大吸附力，微悬臂就会恢复自然 状态，针尖又会行动自如。而在液体中，由于各向同性的原理，力曲线没有迟滞现象发 生，如图2 6 ( b ) 所示。 力曲线不周时段体现出的特性，可以很好的反映出样品