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1、原子力显微镜(Atomic Force Microscopy),1982年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜（STM） 应用电子的“隧道效应”这一原理，对导体或半导体的表面进行观测,隧道效应： 经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。 量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好像有一个隧道

2、，故名隧道效应（quantum tunneling）。虽然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小，但在某些特定的条件下宏观的隧道效应也会出现。,STM就是运用了“隧道效应”这一原理，如图： 探针与样品之间的缝隙就相当于一个势垒，电子的隧道效应使其可以穿过这个缝隙，形成电流，并且电流对探针与样品之间的距离十分敏感，因此通过电流强度就可以探知探针与样品之间的距离,STM的原理是电子的“隧道效应”，所以只能测导体和部分半导体 1985年，IBM公司的Binning和Stanford大学的Quate研发出了原子力显微镜（AFM），弥补了STM的不足,原子间范德华力,原子间范德

3、华力随原子间距的变化关系,原子力显微镜（AFM)系统是利用微小探针与待测物之间交互作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。两种典型操作模式： （1）非接触式（non-contact ) AFM：利用针样间原子吸引力的变化而产生试样表面轮廓；探针与试样的距离约数十到数百，其原子间作用力很小，一般1012 N. （2）接触式（contact） AFM：利用针样间原子斥力的变化而产生试样表面轮廓；探针与试样的距离约数个，斥力在10-8-10-6 N的范围.,在生物医学研究中，最常用的一种模式是敲击模式（tapping AFM）： 在敲击模式中，一种恒定的驱使力使探针悬臂以一定的频率振动。当针尖刚接触样

4、品时，悬臂振幅会减少到某一数值。在扫描过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒定，也就是说作用在样品上的力恒定，通过记录压电陶瓷管的移动得到样品表面形貌图。,敲击模式的优越性： 敲击模式尽管没有接触模式的分辨率高，但是敲击模式在一定程度上减小样品对针尖的粘滞现象，因为针尖与样品表面接触时，利用其振幅来克服针尖-样品间的粘附力。并且由于敲击模式作用力是垂直的，表面材料受横向摩擦力和剪切力的影响都比较小，减小扫描过程中针尖对样品的损坏。所以对于较软以及粘附性较大的样品，尽量选用敲击模式。,硬件组成原子力显微镜系统主要由三个部分组成：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。,力检测部分： 在AFM系统中

5、，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是使用微小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变化量。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。,一般探针由Si或Si3N4制备。表面镀10-50nm厚的Pt,Cr, Ti, Ir等金属制成导电探针；镀上Co,Fe等铁磁性层即制成磁性探针；此外，还有类金刚石和全金刚石探针。,位置检测部分： 在AFM系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂（cantilever）摆动，所以当激光照射在cantilever的末端时，其反射

6、光的位置也会因为cantilever摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置，检测器将偏移量记录下并转换成电信号，以供控制器作信号处理。,反馈系统：在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持合适的作用力。,原子力显微镜（AFM）便是结合以上三个部分来将样品的表面特性呈现出来的：在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微小悬臂（cantilever）来感测针尖与样品之间的交互作用，测得作用力。这作用力会使cantilever摆动，再利用激光将光照射在cantilever的末端，当摆动形成时，会使反射光的位置改变而造成偏移量，此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的方式给呈现出来。,原子力显微镜的应用 AFM可以满足多种不同样品的要求，用于多种系统的成像 量子点 生物分子 多聚体 单体的自组装,沉积于云母片上的抗体分子的 AFM成像。空气中，室温。由于抗 体分子沉积于支持物的方向不同， 而表现出