原子力顯微鏡應(yīng)用于納米科學(xué)中的進(jìn)展論文
掃描探針顯微鏡( Scanning Probe Microscopy，SPM) 以其較強(qiáng)的原子和納米尺度上的分析加工能力，在納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中占據(jù)極其重要的位置。掃描探針顯微鏡是在掃描隧道顯微鏡( STM) 基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。1982 年，德國(guó)物理學(xué)家GBinnig 和H Rohrer發(fā)明了具有原子級(jí)分辨率的掃描隧道顯微鏡( Scanning Tunneling Microscope，STM) ，它使人類(lèi)第一次能夠直觀地看到物質(zhì)表面上的單個(gè)原子及其排列狀態(tài)，并深入研究其相關(guān)的物理化學(xué)性能。因此，它對(duì)物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)以及微電子技術(shù)等研究領(lǐng)域有著十分重大的意義和深遠(yuǎn)的影響。STM 的發(fā)明被公認(rèn)為20 世紀(jì)80 年代世界十大科技成果之一。Binnig 和Rohrer 因此獲得了1986 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。原子力顯微鏡是SPM 家族中最重要的成員之一。1986 年Binnig 等人[4]為了彌補(bǔ)STM 不能對(duì)絕緣樣品進(jìn)行檢測(cè)和操縱而發(fā)明了原子力顯微鏡( Atomic Force Microscopy，AFM) ，AFM 由于不需要在探針與樣品間形成導(dǎo)電回路，突破了樣品導(dǎo)電性的限制，因此使其在科研應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊。
1 AFM 的工作原理
AFM 的工作原理分為探測(cè)系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)兩大部分。探測(cè)系統(tǒng)包括探針用以感受樣品的表面信息、激光系統(tǒng)用以收集探針上的信號(hào)，反饋系統(tǒng)的功能是控制探針的相對(duì)高度，以保證探針能夠保持一定高度從而順利探測(cè)到樣品信息。AFM 在掃描圖像時(shí)，針尖與樣品表面輕輕接觸，而針尖尖端原子與樣品表面原子間存在微弱的相互作用力，會(huì)使懸臂產(chǎn)生微小變化。這種微小變化被檢測(cè)出并用作反饋來(lái)保持力的恒定，就可以獲得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，從而獲得樣品表面形貌的圖像。AFM 的工作模式是以針尖與樣品之間作用力的形式來(lái)區(qū)分主要有接觸模式、非接觸模式、輕敲模式三種工作模式。探針針尖是AFM 的核心部件( 如圖2) ，探針針尖的幾何參數(shù)、物理性能等將顯著影響原子力顯微鏡的成像分辨率。傳統(tǒng)AFM 敲擊模式微懸臂/針尖一體化的硅針尖，由于硅探針硬脆，其本身不僅容易磨損，降低探針使用壽命，而且成像過(guò)程中易損害掃描的樣品，特別是檢測(cè)生物等柔軟樣品。后有研究者對(duì)硅探針進(jìn)行深入研究和改進(jìn)，提高其靈敏度和使用范圍，或使用其它材料如碳材料制備的探針等。AFM 在納米科學(xué)中應(yīng)用的研究進(jìn)展納米科技作為當(dāng)前的熱點(diǎn)研究的科學(xué)領(lǐng)域，如何對(duì)這一尺度內(nèi)的材料、器件的結(jié)構(gòu)和性能以及科學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)表征，這關(guān)系到人們能夠在多大的限度內(nèi)開(kāi)展納米科技的研究，因此，納米檢測(cè)技術(shù)就變得尤為重要。AFM 的應(yīng)用無(wú)疑是對(duì)納米科技的發(fā)展和進(jìn)步起到必要的檢測(cè)保證。本文從AFM 對(duì)納米材料的外貌特征觀察、力學(xué)分析、納米材料加工等三個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行綜述。
2. 1 外貌特征觀察
通過(guò)檢測(cè)探針與樣品間的作用力可表征樣品表面的三維形貌，這是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約為0. 1nm。由于表面的高低起伏狀態(tài)能夠準(zhǔn)確地以數(shù)值的形式獲取，因此AFM對(duì)表面整體圖像進(jìn)行分析可得到樣品表面的粗糙度、顆粒度、平均梯度、孔結(jié)構(gòu)和孔徑分布等參數(shù)，也可對(duì)樣品的形貌進(jìn)行豐富的三維模擬顯示，使圖像更適合于人的直觀視覺(jué)，因此AFM 對(duì)納米材料或是微納米電極的外貌特征的表征有著廣泛的應(yīng)用。邵麗等人應(yīng)用AFM 對(duì)胞外多糖S2 在水溶液中的表觀形貌進(jìn)行觀察。結(jié)果表明: 不同質(zhì)量濃度的胞外多糖S2經(jīng)AFM 成像，得到了不同形貌多糖分子聚集行為的圖像。隨外貌發(fā)生從膜狀、島嶼狀、網(wǎng)格狀到單鏈/雙鏈結(jié)構(gòu)的變化。Sangmin 等人通過(guò)移液管制備5nm 的Au 納米粒子、納米線和聚二甲基硅氧烷( PDMS) 沉積到基板納米/微孔材料，并應(yīng)用AFM 對(duì)石英音叉( QTF) 傳感器進(jìn)行了表面表征。Li 等人應(yīng)用AFM 對(duì)制備的二氧化硅、金、石墨烯等包覆石墨烯的納米材料進(jìn)行了外貌表征和結(jié)合能檢測(cè)。Mo 等人應(yīng)用AFM 對(duì)通過(guò)自組裝技術(shù)使不同的納米材料修飾硅表面進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和外貌的表征。Umeda 等人應(yīng)用AFM 對(duì)制備的Pt 納米顆粒沉積修飾玻碳電極進(jìn)行了外貌表征，成功地實(shí)現(xiàn)了直徑為30 ～ 60nm 的Pt 納米顆粒在任意間距的沉積。
2. 2 力學(xué)分析
研究材料的微觀作用力是對(duì)于了解它們的結(jié)構(gòu)和性能具有重要意義。L 利用AFM 能獲得探針針尖與樣品間力距的關(guān)系曲線，幾乎包含了所有樣品和針尖之間相互作用的必要信息，利用力曲線分析技術(shù)就能給出特定分子或基團(tuán)與納米材料表面的黏附力值等物理性質(zhì)。張慧等人研究報(bào)道用原子力顯微鏡采用Pead Force Tapping 模式對(duì)高分子材料進(jìn)行力學(xué)性能表征時(shí)，選擇不同彈性系數(shù)的探針對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響關(guān)系。Rakshit 等人在單分子水平上利用AFM 拉伸帶電多糖分子得到力- 距離關(guān)系曲線，表明存在階梯狀構(gòu)象改變，早期力值為60 ～ 73pN，并且受到pH 值和離子的影響。Krishnat 等人報(bào)道了利用三維輕敲模式原子力顯微鏡迅速( 10 毫秒) 、精確( σ≤17pN) 地測(cè)量玻璃基板三維作用力分量。通過(guò)直接探測(cè)交互組件的Fx、Fy 和Fz 動(dòng)力學(xué)模型，從而為提供一個(gè)更完整、多個(gè)條件的三維原子力顯微鏡操作視圖的基礎(chǔ)。Walczyk 等人報(bào)道AFM 輕敲模式考察了氬表面納米氣泡和針尖之間的相互作用，研究了具有親水性和疏水性的針尖位置的納米氣泡函數(shù)。研究表面納米氣泡的分布更接近于一個(gè)幾乎平坦的氣泡形狀，拉普拉斯壓力非常接近大氣壓力。Lee報(bào)道了用AFM分別對(duì)卷曲狀和雙夾層型的碳納米管的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。
2. 3 納米材料加工
掃描探針納米加工技術(shù)的基本原理是利用探針- 樣品納米可控定位和運(yùn)動(dòng)及其相互作用對(duì)樣品進(jìn)行納米加工操縱，從而可以對(duì)納米生物材料進(jìn)行納米級(jí)操縱加工，制備得到科學(xué)家所預(yù)設(shè)的樣品。常用的基于AFM 的納米加工技術(shù)包括機(jī)械操縱和蘸筆納米刻蝕技術(shù)等，通過(guò)對(duì)AFM 進(jìn)行升級(jí)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)納米材料的操縱加工功能。Chen 等人應(yīng)用AFM 對(duì)Si{ 111}晶面進(jìn)行分析，比較分析了硅納米線在不同的刻蝕的速率、電壓等方面對(duì)刻蝕效果的影響。Yan 等人開(kāi)發(fā)出了與AFM 聯(lián)用的閉環(huán)納米尺度精確控制臺(tái)，從而能夠根據(jù)預(yù)先的設(shè)計(jì)加工制備得到可控和可重復(fù)的納米結(jié)構(gòu)圖像。Zhang 等人通過(guò)AFM 納米操縱消除納米線上的缺陷，實(shí)現(xiàn)了納米線在指定位置和方向上的延展，他們應(yīng)用此方法制備得到了精確的“NANO”圖案。Abdellaoui 等人研究了n 型GaAs 納米晶體的電化學(xué)蝕刻，利用AFM 分析研究不同酸蝕時(shí)間得到的多孔層，控制制備工藝得到薄膜的結(jié)構(gòu)與晶粒尺寸接近7 nm 的納米晶體。Lee等人運(yùn)用刻蝕技術(shù)制作石墨烯平面晶體管。Alexei 等人基于AFM 的納米光刻技術(shù)在硬質(zhì)材料如硅表面制備槽陣列30～ 100 nm 間距和深度5 ～ 32 nm 的應(yīng)用。
除以上所述，AFM 在其它方面如結(jié)構(gòu)分析、晶體分析、生物醫(yī)學(xué)等都有廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。
3 結(jié)語(yǔ)
綜上所述，AFM 由于操作簡(jiǎn)單，對(duì)樣品要求不高，高分辨率，可檢測(cè)樣品的范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，使其具有越來(lái)越廣闊的應(yīng)用前景。利用AFM 可以很好的研究納米材料的外貌特征觀察、力學(xué)分析、納米材料加工等方面的特性。隨著計(jì)算科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，AFM 將在納米材料領(lǐng)域的研究中發(fā)揮更大的作用。
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