扫描探针显微镜的应用及特点

自从20世纪80年代扫描隧道显微镜和原子力显微镜诞生以来，又相继出现了一大批新型的扫描探针显微镜，使人类不仅可以直观地观察原子、分子世界，而且可以直接操纵原子和分子。

（一）在材料科学中的应用

1.高分辨率扫描成像　与光学显微镜、电子显微镜相比，扫描探针显微镜扫描成像的一个突出特点是可以形成三维的样品表面图像，可提供样品表面的更多细节，如图3-61和图3-62所示。

图3-61　缓冲液中吸附于玻璃板上的链球菌扫描图像

图3-62　原子力显微镜接触模式获得的CD-ROM表面形貌图

原子力显微镜还可采用不同的扫描模式，对样品的相同区域进行扫描，获得不同的样品信息，如图3-63所示。

图3-63　原子力显微镜不同扫描模式下的淀粉纤维成像图

2.原子分子搬迁　扫描隧道显微镜使人们对单个原子、分子的直接操纵成为现实，并出现了一种新的加工工艺——纳米加工。图3-64显示了原子搬迁前后的图像。

图3-64　原子搬迁

3.微机械加工　扫描隧道显微镜已成为测量超精密表面粗糙度的有力手段，并在测量超精密光学零件表面、超精密惯导元器件加工表面、超精密脆性加工材料表面等方面发挥出技术优势。

（1）表面检测。扫描探针显微镜可用于机械零件表面的质量检测。图3-65（a）显示的是原子力显微镜对钢表面的扫描检测图像，从图中可清楚地看见一划痕。原子力显微镜能在纳米尺度上对CD/DVD上的信息位凹坑结构进行三维测量，进而找出影响光盘质量的直接原因。图3-65（b）显示了原子力显微镜对DVD光盘的扫描检测结果。

图3-65　原子力显微镜对样品表面的扫描检测图像

图3-66　原子力显微镜针尖在聚合物薄膜上刻写出的柏林熊图案
（轻敲模式扫描成像）

（2）表面纳米加工。原子力显微镜不仅可提供纳米级的观察，而且可利用其尖锐的针尖作为切削刀来实现微/纳米量级2D及3D的微细加工。图3-66是原子力显微镜针尖用6.0nN的恒定压力在聚合物薄膜上刻写出的柏林熊图案，再通过原子力显微镜的轻敲模式对获得的图扫描成像。(www.xing528.com)

4.高密度存储　目前实用化的磁存储技术和光存储技术是以微电子技术为依托，存储密度在108bit/cm2左右，存储单元是微米级，基本上已达到该技术的极限。具有原子分辨能力和纳米加工能力的扫描探针显微镜的发明为实现超高密度信息存储提供了途径。

在传统的信息存储中，信号主要以0和1的形式进行存储，通常根据薄膜介质信号记录点处的形貌、电学、磁学以及光学等特性的改变来实现0和1信息的存储。扫描探针显微镜信息存储技术，也是在针尖和薄膜样品间施加一定的电压、热、接触力、近场光束或磁极等作用来进行数据的读写。

对薄膜介质的写入方式有两种：一种是写入点信息后改变了介质的表面形貌，在记录点处形成了纳米级的刻痕或小丘。这种改变介质形貌结构的方法主要是借助热力效应、电效应以及激光脉冲等方法来使介质膜相貌结构发生变化，在薄膜表面形成纳米尺度的刻痕或小丘，或者通过扫描探针显微镜针尖在薄膜表面上沉积另外一种材料，然后通过针尖扫描来检测这种形貌或材料物理化学性质的不同，实现信息的读取。另一种是改变了记录点局部区域的电学、光学或磁学特性，来实现数据的写入和读出，而介质表面不发生形貌改变。这是基于介质薄膜的某种开关机制来实现的。如对某些材料组成的薄膜，在两侧施加电、光或热作用，会发生绝缘态和导电态之间的转换。

5.在线监测

（1）生物活体的在线监测。原子力显微镜样品制备简单，不需染色和金属覆盖，就能观测生物大分子的表面，除对核酸、蛋白质分子研究不断深入外，对一些与人类疾病密切相关的生物大分子如肺表面活性物质髓鞘质分子的结构形态等也取得较大进展，并能操纵、修饰单个分子。

（2）物理化学过程的在线监测。

①电化学腐蚀在线监测。腐蚀是发生在固体与气体或液体分界面上的现象。腐蚀首先从原子或纳米尺度开始。原子力显微镜对导电和非导电样品都可进行观测，而且能在大多数腐蚀性溶液和气体中进行，能实时、直接地在原子或纳米量级观察到腐蚀过程，并据此而发展出新的防腐方法。

②晶体生长在线监测。原子力显微镜为人们提供了一个在原子尺度上观察晶体生长界面过程的全新有效工具。利用它的高分辨率和可以在溶液和大气环境下工作的能力，为人们精确地实时观察生长界面的原子级分辨图像、了解界面生长过程和机理创造了难得的机遇。

（二）生物医学领域

扫描探针显微镜可给出生物大分子在大气或液体条件下的自然状态，或接近自然状态的纳米结构图像，具有高度的直观性以及三维表面信息，已成为研究生物大分子高级结构对其功能影响的理想工具。扫描探针显微镜的研究对象包括DNA、细胞结构、染色体、蛋白质、膜等生物学的大部分领域，不仅可静态观察，还可实现动态成像，在分子水平上了解系统的生物活性，并由单纯观察发展为纳米尺度上直接对生物大分子的操纵和改型；还可按分子设计制造具有特定功能的生物零件、生物机器，将生物系统和微机械系统有机地结合起来，将基因或药物输送到癌细胞和器官，达到直接治疗的目的。

（三）膜科学

膜分离技术是一项新兴的分离技术。随着膜技术的蓬勃发展，人们力图通过控制膜的表面形态结构来改进制膜的方法，进而提高膜的性能。原子力显微镜可在大气环境下和水溶液环境中测定膜表面的电荷性质，精确测定其孔径及分布，还可在电解液溶液中测定膜表面的电荷性质，定量测定膜表面与胶体颗粒之间的相互作用力。

原子力显微镜在膜技术中的应用与研究主要集中在以下几个方面。

（1）膜表面结构的观测，包括孔结构与尺寸、孔径分布等。

（2）膜表面形态的观察，确定其表面粗糙度。

（3）膜表面污染时的变化，以及污染颗粒与膜表面之间的相互作用，确定其污染程度。

（4）膜制备过程中相分离机理与不同形态膜表面之间的关系。

（四）环境科学

扫描探针显微镜在环境胶体界面领域的应用研究始于20世纪90年代初，最初主要应用于环境地质领域中观测矿物的溶蚀、风化现象等。目前，已用于矿物及环境颗粒物的表面结构及其微观形貌观测，表征矿物在溶解、晶体生长、吸附、异相成核作用以及氧化还原反应等过程中的形貌结构变化，还可探测电容器表面的双电层结构，利用原子力显微镜的胶体探针技术测定矿物—水界面之间的作用力以及浮选过程中矿物颗粒与气泡表面之间的作用力等，从而为在纳米尺度上深入直观地研究环境微界面过程的作用机理提供了强大的仪器技术支持。