原子力显微镜技术的前世今生

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原子力显微镜Atomic Force Microscope (AFM) 是1986年由IBM苏黎世实验室的G. Binnig, Calvin Forrest Quate, Christoph E. Gerber共同发明。提到AFM就不得不说它的姐妹技术，1981年左右在IBM苏黎世实验由G. Binnig和H. Rohrer发明的扫描隧道显微镜Scanning Tunneling Microscope，利用一个钨丝针尖，当针尖和导电样品距离足够近的时候，在真空环境中针尖和样品之间会产生隧穿电流，电流大小和距离成指数关系。通过一个反馈系统保持针尖和样品隧穿电流始终维持恒定，就可以通过竖直方向样品移动台在每个点的数值，得到样品原子尺度的样品形貌。

实验室的Gerd. Binnig联合斯坦福Calvin Forrest Quate以及当回事在IBM 圣何赛实验室的Christoph E Gerber利用原子之间的范德华力和距离的关系取代了隧穿电流和距离的关系，同样实现了对样品表面形貌的扫描，由于不需要隧穿电流，也就不需要一定是在真空中，也不需要针尖和样品导电，这大大拓展了测试样品的范围，能够测试绝缘材料包括聚合物、氧化物、有机物质如细胞，蛋白质等，这样AFM在生物医学，半导体，新材料等领域都应用起来，在纳米尺度上对样品进行扫描成像。据小道消息称，是Quate教授看到了G. Binnig发表的扫描隧道显微镜的文章，然后马上坐飞机就去了瑞士苏黎世约见G. Binnig教授，观看了这台机器，然后讨论爆发出火花，后续仪器发明了AFM技术。

AFM某种程度上可以认为是MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 微机电系统技术和STM的交叉的新技术。微机电系统是80年底刚刚兴起的新技术，在硅谷受到广泛关注，伯克利、斯坦福、和加州理工有不少教授研究MEMS，怎么制造出微型的机械结构，机电器件。下图显示一个典型的原子力显微镜工作原理，利用一束激光照射到原子力显微镜探针(由微悬臂梁和针尖构成)背面，反射到光电探测器阵列上，通过激光反射的角度推算出悬臂梁的位移，而悬臂梁的弹性系数已知，就可以推算出探针和样品之间的作用力，然后用一个压电扫描台带着样品在二维平面扫描，利用反馈电路可以使得探针针尖和样品始终保持恒距离，这样就可以获得样品的三维形貌图。

原子力显微镜工作原理

AFM除了扫描形貌，还有更多非常重要的模式，测试材料的模量、测试材料导电性、磁性、压电特性、铁电、温度、等一系列模式。例如图中下图显示的就是多种种类的原子力显微镜探针，有导电，磁，耐磨探针，高深宽比探针，胶体探针，近场光学探针等。

各类型探针

下图所示本文作者团队在实验中利用AFM扫描得到的一些形貌图像, 从左到右分别是在氧化硅衬底上的石墨烯，在光子晶体上的纳米颗粒，在云母片上的纳米水凝胶颗粒。

本团队实验扫描图