一文讀懂AFM，從原理到應用

掃描隧道電子顯微鏡要求樣品表面能夠導電，只能直接觀察導體和半導體的表面結構，對于非導電樣品則要在表面覆蓋一層導電薄膜，導電薄膜的粒度和均勻性難以保證，會掩蓋樣品表面的細節，為了彌補STM的這一不足，1986年Binning，Quate和Gerber發明了第一臺原子力顯微鏡AFM。

AFM的基本工作原理：

圖1. AFM組成示意圖

原子力顯微鏡是將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的作用力（斥力或者范德華力），通過掃描時控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對應于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運動。利用光學檢測法和隧道電流檢測法，可以測得微懸臂對應于掃描各點的位置變化，從而獲得樣品的表面形貌信息。

AFM操作模式：

接觸式：

圖2. AFM接觸式探針與樣品示意圖

該方式所感知的力是接觸原子的外層電子相互排斥的庫倫力，這種相互排斥的庫倫力大小在10^-8~10^-11?N，該方式可以穩定地獲得高分辨率樣品表面微觀形貌圖。缺點是檢測彈性模量低的軟質樣品時，樣品表層在針尖里的作用下會產生變形，甚至劃傷；針尖和樣品接觸并滑行，容易使探針尖磨損甚至損壞。

非接觸式：

該模式下測量的作用力是以范德華力為主的吸引力，針尖-樣品間的距離大約5-20 nm。非接觸模式下針尖測量時不會使樣品表面變形，同時針尖也不易磨損，但是非接觸模式測量靈敏度要低些。

輕敲式：

圖3. AFM 輕敲式示意圖

該模式是用一個小壓電陶瓷元件驅動微懸臂振動，其振動頻率恰好高于探針的最低機械共振頻率，探針能夠對驅動信號起放大作用，當把這種受迫振動的探針調節到樣品表面時，探針與樣品表面會產生微弱的吸引力，這種吸引力會使探針的共振頻率降低，驅動頻率和共振頻率的產局增大，探針剪短振幅減少，用激光檢測出振幅的變化就可以推測出樣品表面的起伏。

該模式有效地克服了掃描過程中針尖劃傷樣品的缺點和針尖被拖過樣品而受到摩擦力等的影響。

相移模式：

圖4. 相移模式示意圖

作為輕敲模式的一項重要擴展技術，相移模式是通過檢測驅動微懸臂探針振動的信號源的相位角與探針實際振動的相位角之差的變化來成像。

AFM三大特點：

原子級的高分辨率：

光學顯微鏡的放大倍數一般不超過1000倍，電子顯微鏡的放大倍數極限為100萬倍，而AFM的放大倍數能高達10億倍。

圖5. Au(001)表面濺射單晶的AFM圖像

觀察活的生命樣品：

電子顯微鏡的樣品必須進行固定、脫水、切片等處理，只能觀察死的細胞或組織，因為原子力顯微鏡的樣本可以是各種物質，在大氣條件或者溶液中都能進行，可以觀察活的生命樣品及其動態過程。

圖6. 癌細胞的AFM圖像

加工樣品的力行為：

除了能測試樣品的硬度和彈性等，AFM還能產生和測量電化學反應，具有對標本的分子或原子進行加工的力行為，例如搬移原子，切割染色體等。

AFM應用實例：

1. 原子力顯微鏡研究小鼠生長板軟骨增生區發育過程中的結構和力學性能^[1]

生長板（growth?plate, GP）是一種動態組織，通過軟骨細胞增殖，肥大和基質產生來驅動骨骼伸長。細胞外基質（extracellular matrix, ECM）是GP生物力學特性的主要決定因素，并被認為對軟骨細胞的幾何形狀和排列起關鍵作用，從而指導適當的生長板形態發生和骨伸長。為了闡明軟骨形態發生過程中形態與生物力學之間的關系，本文通過AFM研究了小鼠從胚胎期到成年期GP增生區的年齡依賴性結構和彈性特性。

圖7. 小鼠胚胎和發育階段的AFM圖像和ECM詳細圖像

圖8. 小鼠成熟階段的AFM圖像和ECM詳細圖像

從胚胎第13.5天到出生后第2周，細胞逐漸變平并排列成列，這與膠原蛋白密度和ECM硬度的增加有關，隨后從第2周到4個月，細胞形狀，膠原蛋白密度和ECM硬度幾乎恒定。而且發現在所有年齡段，柱內基質和柱間基質之間的膠原網絡密度和組織結構存在明顯差異，局部ECM剛度的差異可能會迫使細胞在細胞分裂后排列成柱狀結構，并在胚胎和少年發育過程中驅動骨骼伸長。

2. 原子力顯微鏡探究瀝青的分子結構^[2]

在實際生活中，分子通常以混合物形式存在，石油是此類混合物中最主要的，也是現今人們遇到的最復雜的材料之一，其化學成分可能超過100,000中。原油的主要未分解成分是瀝青質，了解瀝青質的結構具有巨大的經濟價值和研究價值，是建立石油化學中結構與功能關系的先決條件。但它們的分子結構一直受到爭論：有研究認為單個瀝青質分子主要包含一個多環芳烴，而其他研究表明，具有多個多環芳烴的結構也有貢獻。

本文結合掃描隧道顯微鏡STM和原子力顯微鏡AFM，進行軌道成像探究瀝青質的多環芳烴，得到了瀝青質單個分子的原子分辨率低溫AFM圖，并結合AFM圖像進行結構假設，在對比度較弱的區域，經拉普拉斯濾波的圖像能夠顯示其他細節，而LUMO和HOMO的軌道圖像則用于進一步闡明分子結構。

圖9. 煤衍生的瀝青質的AFM圖像和STM圖像

圖10. 基于AFM測量和STM軌道圖像提出的瀝青質結構。X表示碳骨架內的未知部分（可能是CH，CH₂，N，NH，Om或S），R表示未知的側鏈基團。

3. 原子力顯微鏡對水網絡的超高分辨率成像^[3]

在金屬表面上生長的水層中存在局部缺陷，且對表面的潤濕過程有很大影響。但是，這種結構是無法用宏觀方法檢測到的。本文通過使用非接觸AFM和分子功能化針尖，獲得了銅（110）表面上單水層的超高分辨率成像。

圖11. 五邊形水鏈末端的STM（頂部）和AFM（中間）圖像，末端的原子結構疊加在經過拉普拉斯濾波的AFM圖像上（底部）。

圖12. 六邊形水層可視化成像

AFM的尖端被一氧化碳終止，主要成像的是氧氣原子，氫原子的貢獻很小。AFM圖像中的氧氣骨架表明，包含局部缺陷和邊緣的水網絡由五邊形和六邊形環組成。本文展示了帶有功能化探針的AFM在金屬表面的水分子層可視化方面的應用，包括其缺陷，邊緣和區域邊界，加強了原子力顯微鏡對表征弱鍵合分子組裝體原子結構的適用性。

參考文獻

[1] C. Prein, N. Warmbold, Z. Farkas, M. Schieker, A. Aszodi, H. Clausen-Schaumann, Structural and mechanical properties of the proliferative zone of the developing murine growth plate cartilage assessed by atomic force microscopy, Matrix Biology, 50 (2016) 1-15.

[2] B. Schuler, G. Meyer, D. Pe?a, O.C. Mullins, L. Gross, Unraveling the molecular structures of asphaltenes by atomic force microscopy, Journal of the American Chemical Society, 137 (2015) 9870-9876.

[3] A. Shiotari, Y. Sugimoto, Ultrahigh-resolution imaging of water networks by atomic force microscopy, Nature Communications, 8 (2017) 14313.

本文由春春供稿。

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