一文读懂AFM，从原理到应用

扫描隧道电子显微镜要求样品表面能够导电，只能直接观察导体和半导体的表面结构，对于非导电样品则要在表面覆盖一层导电薄膜，导电薄膜的粒度和均匀性难以保证，会掩盖样品表面的细节，为了弥补STM的这一不足，1986年Binning，Quate和Gerber发明了第一台原子力显微镜AFM。

AFM的基本工作原理：

图1. AFM组成示意图

原子力显微镜是将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的作用力（斥力或者范德华力），通过扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法和隧道电流检测法，可以测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而获得样品的表面形貌信息。

AFM操作模式：

接触式：

图2. AFM接触式探针与样品示意图

该方式所感知的力是接触原子的外层电子相互排斥的库伦力，这种相互排斥的库伦力大小在10^-8~10^-11 N，该方式可以稳定地获得高分辨率样品表面微观形貌图。缺点是检测弹性模量低的软质样品时，样品表层在针尖里的作用下会产生变形，甚至划伤；针尖和样品接触并滑行，容易使探针尖磨损甚至损坏。

非接触式：

该模式下测量的作用力是以范德华力为主的吸引力，针尖-样品间的距离大约5-20 nm。非接触模式下针尖测量时不会使样品表面变形，同时针尖也不易磨损，但是非接触模式测量灵敏度要低些。

轻敲式：

图3. AFM 轻敲式示意图

该模式是用一个小压电陶瓷元件驱动微悬臂振动，其振动频率恰好高于探针的最低机械共振频率，探针能够对驱动信号起放大作用，当把这种受迫振动的探针调节到样品表面时，探针与样品表面会产生微弱的吸引力，这种吸引力会使探针的共振频率降低，驱动频率和共振频率的产局增大，探针剪短振幅减少，用激光检测出振幅的变化就可以推测出样品表面的起伏。

该模式有效地克服了扫描过程中针尖划伤样品的缺点和针尖被拖过样品而受到摩擦力等的影响。

相移模式：

图4. 相移模式示意图

作为轻敲模式的一项重要扩展技术，相移模式是通过检测驱动微悬臂探针振动的信号源的相位角与探针实际振动的相位角之差的变化来成像。

AFM三大特点：

原子级的高分辨率：

光学显微镜的放大倍数一般不超过1000倍，电子显微镜的放大倍数极限为100万倍，而AFM的放大倍数能高达10亿倍。

图5. Au(001)表面溅射单晶的AFM图像

观察活的生命样品：

电子显微镜的样品必须进行固定、脱水、切片等处理，只能观察死的细胞或组织，因为原子力显微镜的样本可以是各种物质，在大气条件或者溶液中都能进行，可以观察活的生命样品及其动态过程。

图6. 癌细胞的AFM图像

加工样品的力行为：

除了能测试样品的硬度和弹性等，AFM还能产生和测量电化学反应，具有对标本的分子或原子进行加工的力行为，例如搬移原子，切割染色体等。

AFM应用实例：

1. 原子力显微镜研究小鼠生长板软骨增生区发育过程中的结构和力学性能^[1]

生长板（growth plate, GP）是一种动态组织，通过软骨细胞增殖，肥大和基质产生来驱动骨骼伸长。细胞外基质（extracellular matrix, ECM）是GP生物力学特性的主要决定因素，并被认为对软骨细胞的几何形状和排列起关键作用，从而指导适当的生长板形态发生和骨伸长。为了阐明软骨形态发生过程中形态与生物力学之间的关系，本文通过AFM研究了小鼠从胚胎期到成年期GP增生区的年龄依赖性结构和弹性特性。

图7. 小鼠胚胎和发育阶段的AFM图像和ECM详细图像

图8. 小鼠成熟阶段的AFM图像和ECM详细图像

从胚胎第13.5天到出生后第2周，细胞逐渐变平并排列成列，这与胶原蛋白密度和ECM硬度的增加有关，随后从第2周到4个月，细胞形状，胶原蛋白密度和ECM硬度几乎恒定。而且发现在所有年龄段，柱内基质和柱间基质之间的胶原网络密度和组织结构存在明显差异，局部ECM刚度的差异可能会迫使细胞在细胞分裂后排列成柱状结构，并在胚胎和少年发育过程中驱动骨骼伸长。

2. 原子力显微镜探究沥青的分子结构^[2]

在实际生活中，分子通常以混合物形式存在，石油是此类混合物中最主要的，也是现今人们遇到的最复杂的材料之一，其化学成分可能超过100,000中。原油的主要未分解成分是沥青质，了解沥青质的结构具有巨大的经济价值和研究价值，是建立石油化学中结构与功能关系的先决条件。但它们的分子结构一直受到争论：有研究认为单个沥青质分子主要包含一个多环芳烃，而其他研究表明，具有多个多环芳烃的结构也有贡献。

本文结合扫描隧道显微镜STM和原子力显微镜AFM，进行轨道成像探究沥青质的多环芳烃，得到了沥青质单个分子的原子分辨率低温AFM图，并结合AFM图像进行结构假设，在对比度较弱的区域，经拉普拉斯滤波的图像能够显示其他细节，而LUMO和HOMO的轨道图像则用于进一步阐明分子结构。

图9. 煤衍生的沥青质的AFM图像和STM图像

图10. 基于AFM测量和STM轨道图像提出的沥青质结构。X表示碳骨架内的未知部分（可能是CH，CH₂，N，NH，Om或S），R表示未知的侧链基团。

3. 原子力显微镜对水网络的超高分辨率成像^[3]

在金属表面上生长的水层中存在局部缺陷，且对表面的润湿过程有很大影响。但是，这种结构是无法用宏观方法检测到的。本文通过使用非接触AFM和分子功能化针尖，获得了铜（110）表面上单水层的超高分辨率成像。

图11. 五边形水链末端的STM（顶部）和AFM（中间）图像，末端的原子结构叠加在经过拉普拉斯滤波的AFM图像上（底部）。

图12. 六边形水层可视化成像

AFM的尖端被一氧化碳终止，主要成像的是氧气原子，氢原子的贡献很小。AFM图像中的氧气骨架表明，包含局部缺陷和边缘的水网络由五边形和六边形环组成。本文展示了带有功能化探针的AFM在金属表面的水分子层可视化方面的应用，包括其缺陷，边缘和区域边界，加强了原子力显微镜对表征弱键合分子组装体原子结构的适用性。

参考文献

[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. Peña, 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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