如何观察、测量、分析尺寸小于可见光波长的物体，是科学技术中一个重要的研究方向。

1933年德国Ruska和Knoll研制了第一台电子显微镜。随后，许多用于表面结构分析的现代仪器问世，如透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、场离子显微镜(FIM)、俄歇电子能谱仪(AES)、化学分析电子能谱(ESCA)仪等，但是多数技术都无法真正地直接观测物体的微观世界。

1982年，G. Binnig和H. Rohre共同研制成功了第一台扫描隧道显微镜(STM)，使人们能够真正实时地观察到单个原子在物体表面的排列方式和与表面电子行为有关的物理、化学性质。1986年，两人被授予诺贝尔物理学奖。STM的工作原理是基于量子理论中的隧道效应。将原子线度的极细探针和被研究样品的表面作为两个电极，当样品的表面与探针针尖的距离非常近时(一般小于1nm),

在外加电场作用下，电子会穿过两个电子之间的势垒流向另一电极，产生隧穿电流，因而STM要求样品表面能够导电，从而使得STM只能直接观察导体和半导体的表面结构。对于非导电的物质则要求样品覆盖一层导电薄膜，但导电薄膜的粒度和均匀性难以保证，且导电薄膜掩盖了物质表面的细节^[1]。

1986年推出的原子力显微镜(AFM)，克服了STM的不足之处。Binnig等用微悬臂作为力信号的传播媒介，把微悬臂放在样品和STM的针尖之间。AFM是通过探针与被测样品之间微弱的相互作用力(原子力)来获得物质表面形貌的信息。因此AFM除用于导电样品外，还能够观测非导电样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆盖。它得到的是对应于样品表面总电子密度的形貌，可以补充STM对样品观测得到的信息，且分辨率可达原子级水平。1988年，国外开始对AFM进行改进，研制出了激光检测原子力显微镜。

1988年初中国科学院白春礼等成功地研制了我国第一台集计算机控制、数据分析和图像处理系统于一体的扫描隧道显微镜(STM)，于同年年底又研制出我国第一台原子力显微镜，其性能达到原子级分辨率。后来又在已有的STM和AFM的基础上成功地研制出国内首台全自动激光检测原子力显微镜，其横向分辨率为0. 13nm。以STM和AFM为基础，衍生出了一系列扫描探针显微镜(SPM)，如激光力显微镜(LFM),磁力显微镜(MFM)、扫描电化学显微镜(SECM)、近光光学显微镜(SNOM)、弹道电子发射显微镜(BEEM)、扫描离子电导显微镜(S1CM)等^[2] 。

2011年5月2日布鲁克公司发布了一款具有创新性和独特外形的原子力显微镜新品。该产品在不牺牲纳米级分辨率的前提下，在提高显微镜成像速度方面取得了重大突破，其扫描速度提高了数百倍，能够在数秒或数分钟内，而不是数小时或数天内得出结果，是世界上扫描速度最快的高分辨原子力显微镜^[3] 。

1.原子力显微镜结构

原子力显微镜是一种利用原子、分子间的相互作用力观察物体表面微观形貌的新型实验技术。它有一根纳米级的探针，被固定在可灵敏操控的微米级弹性悬臂上，当探针靠近样品时，其顶端的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲，偏离原来的位置。根据扫描样品时探针的偏离量或振动频率重建三维图像，就能间接获得样品表面的形貌或原子成分^[4] 。

图26-1中的原子力显微镜系统可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。

图26-1    AFM原理示意图

力检测部分：使用微小悬臂可检测原子之间的范德华力变化量。微悬臂通常由一个100～500um长和0.5～5 um厚的硅片或氮化硅片制成，微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品与针尖间的相互作用力。微悬臂有一定的规格，如长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状。实验中，依照样品的特性、实验操作模式选择不同规格的探针。

位置检测部分：当针尖与样品之间有了相互作用之后，会使得微悬臂摆动，照射在微悬臂的末端的激光束，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，激光光斑位置检测器将偏移量记录下来并转换成电信号。

反馈系统：在反馈系统中会将电信号当作反馈信号，驱使由压电陶瓷管制作的扫描器做适当移动，以保持样品与针尖之间的作用力恒定。AFM系统使用压电陶瓷管制作的扫描器精确控制微小的扫描移动。压电陶瓷是一种性能奇特的材料，当在压电陶瓷对称的两个端面加上电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。而伸长或缩短的尺寸与所加电压的大小呈线性关系。也就是说，可以通过改变电压控制压电陶瓷的微小伸缩。通常把三个分别代表X,Y,Z方向的压电陶瓷块组成三角架的形状，通过控制X,Y方向伸缩达到驱动探针在样品表面扫描的目的；通过控制Z方向压电陶瓷的伸缩达到控制探针与样品之间距离的目的。

在系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的距离始终保持在纳米量级，距离太大不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品；反馈回路的作用就是在工作过程中，由探针得到探针与样品相互作用的强度，来改变加在样品扫描器垂直方向的电压，从而使样品伸缩，调节探针和被测样品间的距离，反过来控制探针一样品相互作用的强度，实现反馈控制。因此，反馈控制是本系统的核心工作机制。系统采用数字反馈控制回路，用户在控制软件的参数工具栏通过参考电流、积分增益和比例增益等几个参数的设置对该反馈回路的特性进行控制。

相对于扫描电子显微镜，原子力显微镜具有许多优点。不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM提供真正的三维表面图。同时，AFM不需要对样品做任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。另外，电子显微镜需要在高真空条件下运行，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织。和扫描电子显微镜(SEM)相比，AFM的缺点在于成像范围太小，速度慢，受探头的影响太大。

2.原子力显微镜的工作模式

以针尖与样品之间的作用力的方式分，原子力显微镜的工作模式主要有以下三种：接触模式、非接触模式和敲击模式。

接触模式：接触模式是AFM最直接的成像模式。AFM在整个扫描成像过程中，探针针尖始终与样品表面保持紧密接触，而相互作用力是排斥力。扫描时，悬臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构，因此力的大小范围在10^-10～10^-6 N。若样品表面柔嫩而不能承受这样的力，便不宜选用接触模式对样品表面进行成像。接触模式的优点：扫描速度快，是唯一能够获得“原子分辨率”图像的AFM。垂直方向上有明显变化的质硬样品，有时更适于用接触模式扫描成像。缺点：横向力影响图像质量。在空气中，样品表面吸附液层的毛细作用，使针尖与样品之间的黏着力很大。横向力与黏着力的合力导致图像空间分辨率降低，而且针尖刮擦样品会损坏软质样品(如生物样品、聚合体等)。

非接触模式：非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方5～10nm的距离处振荡。这时，样品与针尖之间的相互作用由范德华力控制，通常为10^-12 N，样品不会被破坏，而且针尖也不会被污染，特别适合于研究柔嫩物体的表面。这种操作模式的不利之处在于要在室温大气环境下实现这种模式十分困难。因为样品表面不可避免地会积聚薄薄的一层水，它会在样品与针尖之间搭起小小的毛细桥，将针尖与表面吸在一起，从而增加尖端对表面的压力。非接触模式的优点：没有力作用于样品表面。缺点：由于针尖与样品分离，横向分辨率低；为了避免接触吸附层而导致针尖胶黏，其扫描速度低于轻敲模式和接触模式。通常仅用于非常怕水的样品，吸附液层必须薄，如果太厚，轻敲模式针尖会陷入液层，引起反馈不稳，刮擦样品。由于上述缺点，非接触模式的使用受到限制。

敲击模式：敲击模式介于接触模式和非接触模式之间。悬臂在试样表面上方以其共振频率振荡，针尖仅是周期性地、短暂地接触/敲击样品表面。这就意味着针尖接触样品时所产生的侧向力被明显地减小了。因此当检测柔嫩的样品时，AFM的敲击模式是最好的选择之一。一旦AFM开始对样品进行成像扫描，装置随即将有关数据输入系统，如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰顶之间的最大距离等，用于物体表面分析。同时AFM还可以完成力的测量工作，测量悬臂的弯曲程度来确定针尖与样品之间的作用力大小。

敲击模式优点：很好地消除了横向力的影响，降低了由吸附液层引起的力，图像分辨率高，适于观测软、易碎或胶黏性样品，不会损伤其表面。缺点：比接触模式AFM的扫描速度慢。

3.原子力显微镜样品的要求

原子力显微镜研究对象可以是有机固体、聚合物以及生物大分子等，样品的载体选择范围很大，包括云母片、玻璃片、石墨、抛光硅片、二氧化硅和某些生物膜等，其中最常用的是新剥离的云母片，主要原因是其非常平整且容易处理。而抛光硅片最好用浓硫酸与30％双氧水的7:3(体积比)混合液在90℃下煮1h。利用电性能测试时需要导电性能良好的载体，如石墨或镀有金属的基片。试样的厚度，包括样品台的厚度，最大为10 mm。不要放过重的试样，如果试样过重，有时会影响扫描器的动作。试样的大小以不大于样品台的大小(直径为20mm)为大致的标准，最大约为40mm。样品应固定好后再测量，如果未固定好就进行测量有可能产生移位。