原子力顯微鏡應用于納米科學(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) 基礎上發(fā)展起來(lái)的。1982 年，德國物理學(xué)家GBinnig 和H Rohrer發(fā)明了具有原子級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(guān)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(zhù)十分重大的意義和深遠的影響。STM 的發(fā)明被公認為20 世紀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。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STM 不能對絕緣樣品進(jìn)行檢測和操縱而發(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電回路，突破了樣品導電性的限制，因此使其在科研應用領(lǐng)域更加廣闊。
1 AFM 的工作原理
AFM 的工作原理分為探測系統和反饋系統兩大部分。探測系統包括探針用以感受樣品的表面信息、激光系統用以收集探針上的信號，反饋系統的功能是控制探針的相對高度，以保證探針能夠保持一定高度從而順利探測到樣品信息。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出并用作反饋來(lái)保持力的恒定，就可以獲得微懸臂對應于掃描各點(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、物理性能等將顯著(zhù)影響原子力顯微鏡的成像分辨率。傳統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，特別是檢測生物等柔軟樣品。后有研究者對硅探針進(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)中應用的研究進(jìn)展納米科技作為當前的熱點(diǎn)研究的科學(xué)領(lǐng)域，如何對這一尺度內的材料、器件的結構和性能以及科學(xué)現象進(jìn)行觀(guān)測表征，這關(guān)系到人們能夠在多大的限度內開(kāi)展納米科技的研究，因此，納米檢測技術(shù)就變得尤為重要。AFM 的應用無(wú)疑是對納米科技的發(fā)展和進(jìn)步起到必要的檢測保證。本文從AFM 對納米材料的外貌特征觀(guān)察、力學(xué)分析、納米材料加工等三個(gè)方面對其進(jìn)行綜述。
2. 1 外貌特征觀(guān)察
通過(guò)檢測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)能夠準確地以數值的形式獲取，因此AFM對表面整體圖像進(jìn)行分析可得到樣品表面的粗糙度、顆粒度、平均梯度、孔結構和孔徑分布等參數，也可對樣品的形貌進(jìn)行豐富的三維模擬顯示，使圖像更適合于人的直觀(guān)視覺(jué)，因此AFM 對納米材料或是微納米電極的外貌特征的表征有著(zhù)廣泛的應用。邵麗等人應用AFM 對胞外多糖S2 在水溶液中的表觀(guān)形貌進(jìn)行觀(guān)察。結果表明: 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/雙鏈結構的變化。Sangmin 等人通過(guò)移液管制備5nm 的Au 納米粒子、納米線(xiàn)和聚二甲基硅氧烷( PDMS) 沉積到基板納米/微孔材料，并應用AFM 對石英音叉( QTF) 傳感器進(jìn)行了表面表征。Li 等人應用AFM 對制備的二氧化硅、金、石墨烯等包覆石墨烯的納米材料進(jìn)行了外貌表征和結合能檢測。Mo 等人應用AFM 對通過(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 等人應用AFM 對制備的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(guān)作用力是對于了解它們的結構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(xiàn)，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(xiàn)分析技術(shù)就能給出特定分子或基團與納米材料表面的黏附力值等物理性質(zhì)。張慧等人研究報道用原子力顯微鏡采用Pead Force Tapping 模式對高分子材料進(jìn)行力學(xué)性能表征時(shí)，選擇不同彈性系數的探針對測試結果的影響關(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(xiàn)，表明存在階梯狀構象改變，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) 地測量玻璃基板三維作用力分量。通過(guò)直接探測交互組件的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。Walczyk 等人報道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。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報道了用AFM分別對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動(dòng)及其相互作用對樣品進(jìn)行納米加工操縱，從而可以對納米生物材料進(jìn)行納米級操縱加工，制備得到科學(xué)家所預設的樣品。常用的基于A(yíng)FM 的納米加工技術(shù)包括機械操縱和蘸筆納米刻蝕技術(shù)等，通過(guò)對AFM 進(jìn)行升級從而實(shí)現對納米材料的操縱加工功能。Chen 等人應用AFM 對Si{ 111}晶面進(jìn)行分析，比較分析了硅納米線(xiàn)在不同的刻蝕的速率、電壓等方面對刻蝕效果的影響。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，從而能夠根據預先的設計加工制備得到可控和可重復的納米結構圖像。Zhang 等人通過(guò)AFM 納米操縱消除納米線(xiàn)上的缺陷，實(shí)現了納米線(xiàn)在指定位置和方向上的延展，他們應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構與晶粒尺寸接近7 nm 的納米晶體。Lee等人運用刻蝕技術(shù)制作石墨烯平面晶體管。Alexei 等人基于A(yíng)FM 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 的應用。
除以上所述，AFM 在其它方面如結構分析、晶體分析、生物醫學(xué)等都有廣泛的應用和發(fā)展。
3 結語(yǔ)
綜上所述，AFM 由于操作簡(jiǎn)單，對樣品要求不高，高分辨率，可檢測樣品的范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，使其具有越來(lái)越廣闊的應用前景。利用AFM 可以很好的研究納米材料的外貌特征觀(guān)察、力學(xué)分析、納米材料加工等方面的特性。隨著(zhù)計算科學(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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