AtomicForceMicroscopy

原子力顯微鏡11原子力顯微鏡的應(yīng)用高分子材料生物學(xué)研究膜科學(xué)掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡的水平辨別率和垂直辨別率分別為0.04nm及0.01nm除了能夠觀察樣品表面單個(gè)原子構(gòu)造外，STM還能檢測(cè)樣品表面的掃描隧道譜，所以能夠利用STM來研究樣品的電子狀態(tài)和化學(xué)構(gòu)造。STM對(duì)工作環(huán)境的要求非常的低。STM能夠適應(yīng)的工作溫度范圍是其他顯微技術(shù)都無法企及的，低能夠到絕對(duì)零度，高能夠達(dá)成上千攝氏度。原子力顯微鏡AFM目前能夠測(cè)量樣品表面許多性質(zhì)，最主要的應(yīng)用是測(cè)試樣品表面形貌。AFM的應(yīng)用領(lǐng)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出STM，它不但有和STM相同的辨別率，還能完畢絕緣物質(zhì)在內(nèi)多種樣品的測(cè)試。當(dāng)使用STM測(cè)定絕緣物質(zhì)時(shí)，必須在樣品表面鍍一層導(dǎo)電薄膜，導(dǎo)電薄膜會(huì)使樣品表面發(fā)生許多微細(xì)變化，這么會(huì)造成觀察成果和樣品表面的實(shí)際形狀有一定的出入.自STM問世以來，人們一直期望著能夠精確地體現(xiàn)出絕緣物質(zhì)表面的真實(shí)形貌，而AFM就是專為滿足這些需求而出現(xiàn)的。AFM的實(shí)用化標(biāo)志著物質(zhì)表面檢測(cè)手段的重大革新，是微納米檢測(cè)發(fā)展史上又一里程碑。原子力顯微鏡自問世以來，因?yàn)槠錅y(cè)量精度較高，在納米科學(xué)、材料、化工、生物等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。1在材料科學(xué)方面，能夠使用原子力顯微鏡對(duì)材料表面進(jìn)行掃描，觀察樣品表面粗糙情況或波紋情況，為樣品表面膜性能提供信息，且探針不會(huì)對(duì)樣品表面造成損傷。2在生物科學(xué)方面，原子力顯微鏡檢測(cè)生物樣品具有制備樣品簡(jiǎn)樸，樣品無需特殊處理，能在多種環(huán)境中操作。所以，能夠使用原子力顯微鏡對(duì)生物分子掃描成像，觀察細(xì)胞的動(dòng)態(tài)信息，還能夠?qū)ι锓肿舆M(jìn)行納米操作。3在信息領(lǐng)域，可利用原子力顯微鏡的探針進(jìn)行納米壓痕，以實(shí)現(xiàn)高密度信息存儲(chǔ)。利用探針在樣品表面以輕敲形成表面的壓痕，完畢寫入信息過程4在制造領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)基于原子力顯微鏡的納米刻蝕研究。在量子計(jì)算機(jī)方面，基于原子力五星級(jí)的操作技術(shù)可應(yīng)用于離子阱、量子點(diǎn)操作的研究。1高分子材料的高辨別率掃描成像試驗(yàn)本節(jié)分別對(duì)多孔氧化鋁、二維光柵和金屬玻璃進(jìn)行了慢速高辨別率的掃描成像試驗(yàn)，成功取得樣品表面微納米構(gòu)造圖，試驗(yàn)成果表白該系統(tǒng)具有老式AFM辨別率高、反復(fù)性好等優(yōu)良性能。1多孔氧化鋁的掃描成像多孔氧化鋁是一種受到廣泛關(guān)注的納米測(cè)量樣品。它是一種很好的模板，能夠用來制作納米尺度的多種納米器件，涉及電子的、光電子和磁性的器件而且，它的納米尺寸孔具有很大的長徑比(長度和直徑的比值)，這種有序微小的構(gòu)造是天然形成的，極難用光刻實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)掃描多孔氧化鋁所得圖像如圖所示.圖像大小為400x400像素。右邊為標(biāo)注后多孔氧化鋁的AFM三維立體圖像。由圖中能夠看到，該多孔氧化鋁樣品的納米孔徑排列均勻有序，清楚有致。這里采用的是慢速掃描模式，取得圖像的時(shí)間約在2分鐘左右2金屬玻璃的掃描成像金屬玻璃的掃描成像成果如圖，圖像大小為400×400像素。由圖中能夠看到，金屬玻璃的起伏高度很小，只有幾十納米，表面粗糙度較低。3光柵的納米構(gòu)造圖像我們對(duì)一維原則光柵進(jìn)行了三種不同范圍的掃描試驗(yàn)，在三幅圖像中分別應(yīng)該存在8，4，2個(gè)光柵周期，正如我們?cè)趻呙鑸D像中所見到的。試驗(yàn)成果表白本系統(tǒng)精確無誤的良好性能。迅速成像AFM能對(duì)樣品進(jìn)行迅速掃描成像。老式AFM在迅速掃描中會(huì)出現(xiàn)圖像的拉伸，造成成像質(zhì)量降低。經(jīng)測(cè)試，對(duì)400X400像素的圖像，掃描速度最快能夠達(dá)成15行／秒。對(duì)于AFM系統(tǒng)，同等清楚度下，掃描所得圖像的辨別率越低，掃描的速度越快。對(duì)于某些應(yīng)用，能夠在大的視場(chǎng)中使用較低辨別率的迅速掃描，觀察樣品表面的變化，然后對(duì)于感愛好的部分進(jìn)行高辨別率的慢速掃描。慢速高辨別率掃描成像示出更多的細(xì)節(jié)伴隨掃描速度的提升，圖像的拉伸變形越來越嚴(yán)重伴隨掃描速度的提升，圖像的拉伸變形越來越嚴(yán)重，實(shí)際上當(dāng)速度達(dá)成1．00s每幅時(shí)，掃描范圍已經(jīng)比1．59m要小。成果顯示在2．00s每幅時(shí)仍能保持很好的在大的視場(chǎng)中使用較低辨別率的迅速掃描，觀察樣品表面的變化，然后對(duì)于感愛好的部分進(jìn)行高辨別率的慢速掃描的新措施，其應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。2AFM技術(shù)在生物學(xué)研究中的應(yīng)用一般的電子顯微鏡對(duì)于生物膜的形成、發(fā)展、材料的表面特征和腐蝕形貌等不能很好表征。AFM技術(shù)在生物學(xué)研究中的優(yōu)點(diǎn)1.AFM不但能在分子級(jí)水平上觀察試樣，而且能量化材料的表面特征信息．2.其破壞性較其他生物學(xué)常用技術(shù)(如電子顯微鏡)要小得多3.AFM能在多種環(huán)境(涉及空氣、液體和真空)中運(yùn)作，生物分子可在生理?xiàng)l件下直接成像，也可對(duì)活細(xì)胞進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀察4.AFM能提供生物分子和生物表面的分子／亞分子辨別率的三維圖像5.AFM能對(duì)單個(gè)生物分子進(jìn)行操縱，由原子力顯微鏡(AFM)取得的信息還能與其他的分析技術(shù)和顯微鏡技術(shù)互補(bǔ)．用AFM觀察DNA雙螺旋構(gòu)造人體紅血球和藍(lán)藻

3原子力顯微鏡在膜科學(xué)中的應(yīng)用

AFM出現(xiàn)前，電子顯微鏡是微電子學(xué)的原則研究工具，它的辨別率能夠達(dá)成幾種納米量級(jí)。但是要求在樣品表面涂覆金屬并在真空中成象，三維分辯能力差，而且發(fā)射的高能電子可會(huì)損壞樣品而造成偏差。尤其是對(duì)活性樣品電子顯微鏡完全不能勝任。而AFM辨別率能夠達(dá)成原子量級(jí)，且對(duì)操作環(huán)境和樣品制備沒有特殊的要求，其在膜技術(shù)中的應(yīng)用自然就更為普遍和廣泛。

原子力顯微鏡在膜科學(xué)中的應(yīng)用1988年AFM用于聚合膜的表面研究。較其他膜檢測(cè)工具，AFM應(yīng)用廣泛，優(yōu)勢(shì)：可在大氣和水溶液中研究膜的表面形態(tài)，精確測(cè)定其表面粗糙度及孔徑分布，還可在電解質(zhì)溶液中測(cè)定膜表面的電荷性質(zhì)，實(shí)時(shí)測(cè)定膜表面與膠體顆粒之間的相互作用力。所以AFM已經(jīng)成為膜科學(xué)技術(shù)發(fā)展和研究的基本手段.AFM在膜技術(shù)中的應(yīng)用涉及如下幾種方面1)膜表面形態(tài)觀察與測(cè)定，擬定表面粗糙度；2)膜表面構(gòu)造觀察與測(cè)定，擬定孔構(gòu)造、孔尺寸、孔徑分布3)膜表面摩擦力測(cè)定，擬定摩擦系數(shù)；4)膜表面彈性測(cè)定，擬定膜彈性力大小；5)膜電化學(xué)特征研究，擬定表面電荷分布和表面電勢(shì)；6)成膜機(jī)理研究，探尋膜制備過程中相分離機(jī)理與不同形態(tài)膜表面之問的關(guān)系。銀膠薄膜樣品成象(a)一(d)圖為銀膠薄膜掃描尺寸分別為55微米×55微米、15微米×15微米、1．6微米×1．6微米、0．55微米X0．55微米時(shí)的表面形貌圖，其相應(yīng)平均表面粗糙度分別為1258納米、874納米、221納米、113納米。從圖上能夠看出銀膠體粒子成團(tuán)簇，亮點(diǎn)相應(yīng)的是該處團(tuán)簇較為集中，而顏色成黑色的區(qū)域相應(yīng)的是該處可能為基底，沒有銀膠體粒子分布。伴隨掃描尺寸的逐漸縮小，這種現(xiàn)象體現(xiàn)得愈發(fā)明顯，(c)圖能夠清楚地看到銀膠體粒子相互疊加在一起的現(xiàn)象。形貌圖中亮點(diǎn)相應(yīng)著位相圖中電壓值較高點(diǎn)，暗區(qū)域相應(yīng)的電壓值較低。這能夠解釋為形貌圖中亮點(diǎn)表達(dá)該點(diǎn)的粗糙度較大，這么針尖在該點(diǎn)受到的摩擦力和粘連相對(duì)要大，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電壓變化也大；暗區(qū)域表達(dá)該區(qū)域相對(duì)平整，針尖在該區(qū)域受到的摩擦力和粘連相對(duì)要小，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電壓變化也就要小。同步也能夠看出位相圖比形貌圖要反應(yīng)出更多的銀膠粒子的信息。鑒于位相成象模式有更高的細(xì)節(jié)分辯能力，眾多掃描探針顯微鏡開發(fā)商都竟相開展了利用位相圖來用作表面檢測(cè)的研究。結(jié)論掃描范圍縮小，圖像表面粗糙度數(shù)值變?。粧呙杷俾逝c平均粗糙度成開口向下的拋物線關(guān)系；好的圖像并不一定要用大