原子力显微镜及其在各个研究领域的应用
原子力显微镜技术的新应用
原子力显微镜技术的新应用原子力显微镜（AFM）技术是一种能够对物质的表面和微观结构进行高分辨率成像的工具。
最初，该技术被广泛用于物理学、化学、材料科学、生物学等领域，以研究材料的结构和性质，从而推动科学技术的发展。
随着该技术的不断发展，其应用范围也越来越广泛，在环境、医学、纳米科技等领域也得到了广泛的应用。
1. 环境保护原子力显微镜技术在环境保护方面的应用主要是在表面化学、颗粒物的形态和气溶胶的研究等方面。
例如，在空气质量监测中，原子力显微镜可以直接观察和记录气溶胶的粒子形态、粗糙度和表面形貌，这对于分析其来源、成分和污染程度等问题具有十分重要的意义。
2. 医学领域在医学领域中，原子力显微镜技术可以应用于生物分子的成像和测量，如蛋白质的分子结构、微生物的表面亲和性等问题。
此外，它还可以用于药物研发、药效评估等方面。
例如，利用原子力显微镜技术可以直接观察药物与细胞膜之间的相互作用，从而更准确地评估其效果。
3. 纳米科学原子力显微镜技术在纳米科学领域中是一种非常重要的手段。
利用原子力显微镜技术可以直接观察纳米级别的材料，并对其表面形貌、物理和化学性质等进行深入研究。
这对先进材料的设计和制备具有重要意义。
例如，将原子力显微镜技术应用于纳米级催化剂的设计和制备，可以提高其反应活性和选择性，并减少残留物的产生，从而提高产业效益。
4. 新能源原子力显微镜技术在新能源领域的应用也逐渐得到了重视。
例如，利用原子力显微镜技术可以对太阳能电池、燃料电池等材料进行分析，探究材料表面形貌、成分和结构等与能量转换效率之间的关系，从而进一步提高材料性能，推动新能源的发展。
5. 材料科学原子力显微镜技术在材料科学领域中的应用主要涉及材料表面结构的测量、薄膜的制备和研究等方面。
例如，原子力显微镜可以直接观测和记录不同材料的表面粗糙度、微观形貌和晶体结构等信息，从而提高材料的制备工艺和性能。
此外，原子力显微镜还可以用于材料失效的分析和研究，以便对材料的优化和改进进行指导。
原子力显微镜的操作与应用
原子力显微镜的操作与应用原子力显微镜（AFM）是一种通过探针扫描样品表面，以纳米分辨率观察表面形貌、力学性质和表面相互作用的测量工具。
作为一种新型的表面分析技术，AFM已经在材料科学、生物医药、化学能源等领域得到广泛应用。
本文将介绍AFM的操作原理、样品准备、扫描模式、数据分析以及其在材料科学、生物医药和化学能源中的应用。
1. 操作原理AFM的扫描探针是一个非常尖锐的针，属于微型机械系统（MEMS）的一种。
在扫描过程中，探针靠近样品表面，通过微弯度反馈机制控制探针与样品表面的距离。
探针探测到位移距离，反馈到一个像扫描控制器的正反馈回路中，使探针头的位置保持在样品表面的一定距离。
探针头靠近样品表面，会产生拉伸或压缩力，使探针头的位置发生变化。
通过测量这种力，可以计算出样品表面形貌和力学性质。
2. 样品准备在对样品进行扫描之前，需要将样品制备好。
AFM适用于实验室材料样品和生物样品。
在材料制备上，通常需要将样品剪裁成小块，使用研磨机或抛光机对样品表面平滑处理，使样品表面达到平整光滑的状态。
在生物样品制备上，则需要使用化学、生物学方法或者组织切片技术获得样品。
3. 扫描模式AFM有多种工作模式，如接触模式、非接触模式、振荡模式、磁力显微镜模式等。
在接触模式下，探针头与样品表面接触，通过扫描样品表面获得样品形貌。
非接触模式下，探针头悬浮在样品表面上，通过调整与样品表面的距离来获取样品的表面形貌。
振荡模式下探针头震动，测量样品的质量和弹性性质。
磁力显微镜模式下，则利用样品表面局部的磁场，通过探测磁场的变化，来观察样品表面物理特性。
4. 数据分析扫描得到的数据需要进行分析处理。
一般常用的分析手段有图像处理和草图处理。
图像处理包括基线校正、噪声滤波、平滑滤波、粗糙度分析、晶体结构等，可用于减少噪声和消除不确定性。
草图处理则可以进行材料性质计算、力学力学分析、电子结构分析、表面反应等。
利用这些分析手段，可以对得到的图像进行处理，从而获得更加精确和准确的结果。
物理实验技术中原子力显微镜的使用方法详解
物理实验技术中原子力显微镜的使用方法详解原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）是一种基于原子力作用的高分辨率表面成像和测量仪器。
它可以实现对物质表面的高分辨率成像，并且能够进行纳米级的力学性质测量。
本文将详细介绍原子力显微镜的使用方法。
一、原子力显微镜的基本原理和组成原子力显微镜的工作原理是利用一根非常细的探针在样品表面扫描，并测量样品表面与探针之间的力的变化。
通过扫描获得的力的数据可以生成样品表面的三维图像。
原子力显微镜主要由扫描单元、探针、控制系统和数据处理系统四个部分组成。
二、原子力显微镜的操作步骤1. 样品准备：首先需要将待测样品制备成均匀平整的表面。
这通常需要使用微纳米加工技术，如化学气相沉积、溅射沉积或离子束抛光等。
2. 探针安装：将探针固定到扫描单元中。
探针的选择非常重要，需要根据所需实验的具体要求来选择合适的探针。
一般情况下，探针的弹性常数需要在200 N/m到400 N/m之间。
3. 调试参数：在进行实际扫描前，需要根据样品的性质和测量目的来调节扫描参数。
例如，扫描速度、扫描范围、力的设置等。
4. 开始扫描：开启原子力显微镜，将探针移动到样品表面上，并开始扫描。
实际扫描过程中，需要保持探针与样品之间的力稳定，通常采用反馈控制技术来实现。
5. 数据处理：完成扫描后，可以将获得的原子力显微镜数据进行处理和分析。
常见的数据处理方法包括三维重构、高度廓线提取、力谱分析等。
三、原子力显微镜的应用领域原子力显微镜广泛应用于材料科学、生物科学和纳米科学等领域。
在材料科学中，原子力显微镜可以用于研究材料的表面形貌、纳米结构和纳米力学性质。
在生物科学中，原子力显微镜可以用于观察和研究生物大分子的形貌和相互作用力。
在纳米科学中，原子力显微镜可以用于制备和研究纳米器件和纳米材料。
四、原子力显微镜的发展趋势随着技术的不断发展和进步，原子力显微镜的分辨率和功能得到了明显提高。
原子力显微镜在生物医学中的应用
原子力显微镜在生物医学中的应用【摘要】原子力显微镜在生物医学中的应用已经取得了显著的成就。
在细胞和分子水平上，原子力显微镜帮助科学家们研究细胞结构和功能机制，揭示了许多生物过程的奥秘。
在蛋白质结构研究中，原子力显微镜提供了高分辨率的图像，帮助科研人员理解蛋白质的构型和功能。
在药物研发领域，原子力显微镜可以帮助科学家们更快速地筛选药物候选物，加速新药的研发过程。
原子力显微镜还在疾病诊断和生物材料研究中发挥着重要作用。
原子力显微镜为生物医学领域带来了巨大的进步，其应用前景也十分广阔，必将继续推动生物医学领域的发展。
【关键词】原子力显微镜，生物医学，细胞，分子，蛋白质结构，药物研发，疾病诊断，生物材料研究，进步，前景。
1. 引言1.1 原子力显微镜在生物医学中的应用在细胞和分子水平上，原子力显微镜可以提供高分辨率的图像，帮助科研人员观察细胞内部的结构和功能。
通过原子力显微镜，研究人员可以更清晰地了解细胞表面的形态和结构，进而研究细胞的生物活动过程。
在蛋白质结构研究中，原子力显微镜也发挥着重要作用。
通过原子力显微镜技术，科研人员可以观察蛋白质的结构和功能，从而深入研究蛋白质在生物体内的作用机制。
在药物研发领域，原子力显微镜可以帮助科研人员研究药物与细胞的相互作用，从而提高药物研发的效率和成功率。
原子力显微镜在生物医学领域的应用为科研人员提供了更多的研究手段和思路，促进了生物医学领域的发展。
原子力显微镜的应用前景广阔，将为生物医学领域带来更多的突破和进步。
2. 正文2.1 原子力显微镜在细胞和分子水平上的应用原子力显微镜(AFM)是一种基于原子份子力的显微镜，可以实现纳米级别的图像分辨率，使得科研人员能够更深入地研究生物体系在细胞和分子水平上的结构和功能。
在生物医学领域中，原子力显微镜的应用极为广泛，其主要应用包括以下几个方面：1. 细胞形态和表面结构的研究：原子力显微镜能够在纳米尺度下对细胞的形态和表面结构进行高分辨率的成像，揭示细胞表面的微纹理、微结构及细胞器的分布情况，从而帮助研究人员更全面地理解细胞的结构和功能。
原子力显微镜的原理及其在纳米技术中的应用
原子力显微镜的原理及其在纳米技术中的应用原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种能够对物质表面进行高分辨率成像、观察和分析的工具。
其原理是运用针尖与材料表面间的相互作用力探测表面形貌和性质。
本文将详细介绍原子力显微镜的基本原理和在纳米技术中的应用。
一、原子力显微镜的原理1.扫描震动式的设计原子力显微镜是一种通过扫描针尖对样品表面进行精准探测的显微镜。
针尖运动时产生的振动能够检测到样品表面形貌和结构。
其扫描震动式的设计基于谐振原理。
扫描针尖与样品表面之间有作用力，这种结果会导致针尖的振动。
2.针尖与样品间的相互作用力AFM的针尖必须具备反射杆和尖端，拥有较好的尺度和形状效应。
仪器通过感应针尖与样品之间的互相作用力，以机械臂与探针的相对运动来探测样品表面形貌及性质。
针尖接触样品表面后产生的万斯力会改变针尖的振动的振幅。
3.信封式皮扫描仪的使用在现代原子力显微镜中，信封式皮扫描仪被广泛应用，可以快速检测样品的形貌和特性。
信封式皮扫描仪不仅能够以很高的分辨率，而且能够在大范围内扫描样品，从而获得更准确的表面图像。
二、原子力显微镜在纳米技术中的应用1.纳米材料的研究原子力显微镜可以用于研究各种纳米材料，如量子点、金纳米粒子等。
由于其高分辨率和强大的成像优势，它可以揭示所有细节和表面特性。
原子力显微镜可以在不损伤样品的情况下进行非破坏性成像和分析，具有广泛的研究应用。
2.生物医学领域的应用原子力显微镜可以在细胞水平上对生物体进行研究，甚至可以在细胞内进行。
它使用非破坏性的方式扫描样品表面，具有非常高的分辨率，能够揭示生物样品的分子结构、表面形貌和纳米尺度下的物理和化学特性等，对于研究分子的运动、受体结构、细胞和组织的结构等方面具有重要的科学和生物医学意义。
3.纳米加工和表面处理原子力显微镜提供了一种便捷而强大的方式，可以实现在纳米尺度下进行样品加工和表面处理。
它可以通过控制扫描针尖与样品表面间的距离和采取不同的物理或化学手段，在表面上进行制造、刻蚀和表面修饰，从而生成微小的纳米结构或复杂纳米体系。
原子力显微镜在材料科学领域的表面分析应用
原子力显微镜在材料科学领域的表面分析应用原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种利用原子间相互作用进行表面成像和测量的仪器。
它具有高分辨率、高灵敏度和广泛的适用性，因此在材料科学领域的表面分析应用中扮演着重要角色。
本文将详细介绍原子力显微镜的原理和在材料科学中的四个主要应用方面。
首先，原子力显微镜在材料表面形貌观察和表征方面起到了重要作用。
传统的光学显微镜由于衍射的光线限制，无法提供高于光波长的空间分辨率，而原子力显微镜利用纳米级探针与样品表面的相互作用，可以实现纳米级甚至原子级的表面成像。
通过测量探针的位移，可以绘制出样品表面的形貌图像，并能够显示出表面上的微观结构和纳米级甚至原子级的凹凸特征。
其次，原子力显微镜在力学性能研究中的应用也非常重要。
材料的力学性能受到多种因素的影响，如表面的粗糙度、材料的硬度和弹性模量等。
原子力显微镜可以通过探针与样品表面的相互作用力来测量其硬度和弹性模量。
通过在不同位置测量硬度的变化，可以对材料的力学特性进行定量分析。
此外，原子力显微镜还可用于评估材料的磨损和疲劳行为，对材料的力学性能进行全面的研究。
第三，原子力显微镜在纳米尺度下的电学性能研究中也发挥着重要作用。
材料的电学性能对许多电子器件的性能和稳定性具有重要影响。
原子力显微镜可以通过探针的引入和控制，在纳米尺度下测量材料的电导率、电荷分布和电势分布等电学性能参数。
由于材料的电性质与其表面结构和化学组成之间密切相关，因此原子力显微镜在研究和优化纳米器件的电学性能方面具有独特优势。
最后，原子力显微镜在材料表面化学分析研究中的应用也不可忽视。
材料的化学成分与其性质和性能密切相关。
原子力显微镜通过在探针上引入化学敏感分子，可以实现对样品表面化学成分的高分辨率定量分析。
通过检测探针与样品表面的相互作用力的变化，可以获得表面化学成分的信息。
这对于研究材料的催化性能、吸附性能和化学反应动力学等方面非常有价值。
原子力显微镜在生物学中的应用
原子力显微镜在生物学中的应用随着科学技术的发展和生物学研究的深入，原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）逐渐成为生命科学领域中不可或缺的工具之一。
AFM是一种利用原子力及电子信号对物体表面形貌进行观察和研究的高分辨率显微技术。
目前，AFM已经成功地应用于生命科学中各个领域，如生物分子、细胞器、细胞表面、细胞膜和人工纳米结构等。
1. AFM在生物分子领域的应用生物分子是生命活动的基本单位，对于生物学研究具有至关重要的意义。
利用AFM技术，可以对生物分子进行高分辨率的成像，包括蛋白质、核酸、碳水化合物等。
例如，已经成功地使用AFM研究了蛋白质聚合物的二级和三级结构、生物大分子在溶液中的分子构象等。
此外，AFM还可以用于测定蛋白质分子的粘附强度和机械性质等，为进一步探究生物分子的结构和功能提供了有力的工具。
2. AFM在细胞器和细胞表面领域的应用细胞器是细胞内功能区域，其中包括内质网、高尔基体、溶酶体等。
AFM技术可以用于直接观察这些细胞器的结构，比如细胞核内的染色质形态、蛋白质分子的聚集形态等。
此外，AFM还可以在实验室环境中研究细胞外基质（如胶原蛋白等）与细胞表面的相互作用，以及细胞表面上的蛋白质分子、脂质体等的分子构象和生理功能。
这些观察为进一步理解细胞结构与功能提供了细胞水平的数据支持。
3. AFM在微生物领域的应用微生物是现代生物学研究的重要对象，包括细菌、真菌、病毒等。
AFM技术可以用于对微生物表面的直接成像，如病毒、霉菌和细菌等微生物的表面形貌。
通过AFM技术可以观察到微生物的细节结构，如病毒粒子、菌丝等的形态，进一步研究其生长特性和抗药性等。
与其他电子显微镜相比，AFM具有独特的样品扫描方式和高灵敏度，更适用于一些高密度和薄膜状样品的观测。
4. AFM在纳米材料领域的应用随着人类对纳米材料的研究越来越深入，AFM技术也逐渐被应用于纳米材料领域。
由于AFM具有高分辨率、非破坏性等优势，可以对纳米材料进行高精度的表征。
原子力显微镜的应用
原子力显微镜的应用原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，简称AFM）是一种用来观察固体表面的先进技术。
它可以对不同材料的形态、性质和结构进行高分辨率成像和力学探测。
AFM的工作原理是利用微小弹性探针对样品表面进行扫描，通过跟踪探针的运动获取局部表面形貌、力学性质等信息。
AFM是近年来材料科学、电子学、生物学等领域中应用最广泛的显微技术之一。
一、原子力显微镜的成像原理AFM可以实现非常高的空间分辨率，能够同时像普通显微镜和扫描电子显微镜（SEM）一样提供子纳米级别的图像分辨率和成像深度。
AFM从表现形式上可以分为离散或连续两种模式，离散模式是让探针接触到样品后再扫描，连续模式则是在扫描时始终保持探针与样品间的距离。
AFM的成像可以分为接触模式和非接触模式。
接触模式是探针接触到样品表面，以探头被物体挤压的形式感知样品表面形貌和机械性质。
非接触模式基本上可以看作探头不接触样品而仅从靠近表面处的力量来探测。
在实践中，大多数情况下使用非接触模式。
二、原子力显微镜在生物学领域中的应用AFM已经成为了生物分子和薄膜研究的杰出工具，也被广泛应用于分子识别和结构分析。
AFM成像可以直接观察生物大分子的结构，可用于研究蛋白质、DNA 等生物分子的结构及其性质。
AFM成像技术能清晰显示生物高分子的形态结构，不受飞行束流的限制，因此可以在生物学研究上更加轻松地获得高质量的图像。
此外，AFM还可以用于评估生物大分子的力学性质，包括生物大分子的弹性、硬度和黏滞性等。
常见的生物学应用包括：1. 评估生物大分子的拓扑形态：AFM成像可以清晰显示生物高分子的形态结构，包括蛋白质、DNA等。
这种成像可以用于研究生物大分子的结构及其性质，例如蛋白质的折叠状态、靶向与确定靶标分子、鉴定有机小分子与生物大分子的相互作用。
2. 测定细胞表面高度分布：AFM可以用于确定细胞表面的高度分布情况，从而能够实现对细胞表面进行3D成像。
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高技术原子力显微镜及其在各个研究领域的应用An Ato mic Force Micro sco p e and I ts A pp lication刘延辉王弘孙大亮王民姚伟峰杨雪娜(山东大学晶体材料国家重点实验室济南250100)在当今的科学技术中,如何观察、测量、分析尺寸小于可见光波长的物体,是一个重要的研究方向。
在众多的科学领域里,人们希望实时地看到具体的真实变化过程,而不仅仅是根据前后的现象和关系来推理,这就需要高分辨率的显微镜。
适应这种需要,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)、光电子能谱(ESCA)等,但是大多数技术都无法真正地直接观测物体的微观世界。
在这之后,原子力显微镜出现了。
一、原子力显微镜的结构和工作原理1982年,G erd Binnin g和H einrich R ohrer在I BM 公司苏黎世实验室共同研制成功了第一台扫描隧道显微镜(scannin g tunnelin g m icrosco p e,ST M),这是扫描探针显微镜这一大家族的第一个成员,其发明人Binnin g和R ohrer因此获得1986年的诺贝尔物理奖。
扫描隧道显微镜的工作原理是:当探针与样品表面间距小到纳米级时,经典力学认为探针与样品在这时是不导电的,但按照近代量子力学的观点,由于探针尖端的原子和样品表面的原子有波动性,两者的波函数相互叠加,故在它们间会有电流,该电流称隧道电流。
ST M就是通过检测隧道电流来反映样品表面形貌和结构的。
ST M要求样品表面能够导电,从而使得ST M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。
为了克服ST M的不足处,Binnin g、Quate和G er2 ber决定用微悬臂作为力信号的传播媒介,把微悬臂放在样品和ST M的针尖之间,于1986年推出了原子力显微镜(atom ic force m icrosco p e,AFM)。
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,其应用领域更为广阔。
它得到的是对应于样品表面总电子密度的形貌,可以补充ST M对样品观测得到的信息,且分辨率亦可达原子级水平,其横向分辨率可达2nm,纵向分辨率可达0.01nm。
AFM原理图AFM的核心部件是力的传感器件,包括微悬臂(C antilever)和固定于其一端的针尖。
根据物理学原理,施加到C antilever末端力的表达式为:F=KΔZ。
式中,ΔZ表示针尖相对于试样间的距离,K为C antilever的弹性系数。
力的变化均可以通过C antilever检测。
根据力的检测方法,AFM可以分成两类:一类是检测探针的位移;另一类是检测探针的角度变化。
由于后者在Z 方向上的位移是通过驱动探针来自动跟踪样品表面形状,因此受到样品的重量及形状大小的限制比前者小。
微悬臂和针尖是决定AFM灵敏度的核心。
为了能够准确地反映出样品表面与针尖之间微弱的相互作用力的变化,得到更真实的样品表面形貌,提高AFM的灵敏度,微悬臂的设计通常要求满足下述条件:(1)较低的力学弹性系数,使很小的力就可以产生可观测的位移;(2)较高的力学共振频率;(3)高的横向刚性,针尖与样品表面的摩擦不会使它发生9科技导报3/2003弯曲;(4)微悬臂长度尽可能短;(5)微悬臂带有能够通过光学、电容或隧道电流方法检测其动态位移的镜子或电极;(6)针尖尽可能尖锐。
AFM仪器的发展,也可以说是微悬臂和针尖不断改进的过程。
一般AFM采用微机机械加工技术制作硅、氧化硅及氮化硅(S i3N4)微悬臂。
但近年来,日、美等国相继展开了把压电微悬臂代替普通微悬臂用于AFM的研究,取得了很好的效果。
我国对这方面的工作也开始重视。
综合起来讲,原子力显微镜工作原理就是将探针装在一弹性微悬臂的一端,微悬臂的另一端固定,当探针在样品表面扫描时,探针与样品表面原子间的排斥力会使得微悬臂轻微变形,这样微悬臂的微小变形就可以作为探针和样品间排斥力的直接量度。
一束激光经微悬臂的背面反射到光电检测器,可以精确测量微悬臂的微小变形,这样就实现了通过检测样品与探针之间的原子排斥力来反映样品表面形貌和其他表面结构。
AFM有3种工作模式:接触模式、非接触模式、轻敲模式。
接触模式分辨率高,但易“拖刮”损伤样品表面,且还会由于探针与样品表面产生的粘滞力造成图像失真;非接触模式确实可以避免上述问题,但由于探针与样品表面距离较大、作用力太小,造成分辨率降低,且可能因表面张力干涉而造成图像变形;轻敲模式是新发明的一种较为先进的模式,它是采取探针垂直样品表面高频振动,交替地让针尖与样品表面“接触”和“抬高”。
这种交替通常每秒钟5万～50万次。
这种模式结合了上述两种模式的优点,既不损坏样品表面又有较高的分辨率。
二、原子力显微镜在各个研究领域的应用前已述及,AFM是利用样品表面与探针之间力的相互作用这一物理现象,因此不受ST M等要求样品表面能够导电的限制,可对导体进行探测,对于不具有导电性的组织、生物材料和有机材料等绝缘体,AFM同样可得到高分辨率的表面形貌图像,从而使它更具有适应性,更具有广阔的应用空间。
AFM 可以在真空、超高真空、气体、溶液、电化学环境、常温和低温等环境下工作,可供研究时选择适当的环境,其基底可以是云母、硅、高取向热解石墨、玻璃等。
AFM已被广泛地应用于表面分析的各个领域,通过对表面形貌的分析、归纳、总结,以获得更深层次的信息。
1.原子力显微镜是进行晶体生长机理研究的有效工具晶体生长理论在发展过程中形成了很多模型,可是这些模型大多是理论分析的间接研究,它们和实际情况究竟有无出入,出入有多大?这是人们最为关心的。
因而人们希望用显微手段直接观察到晶面生长的过程。
用光学显微镜、相衬干涉显微镜、激光全息干涉术等对晶体晶面的生长进行直接观测,也取得了一些成果。
但是,由于这些显微技术分辨率太低,或者是对实验条件要求过高,出现了很多限制因素,不容易对生长界面进行分子原子级别的直接观测。
原子力显微镜则为我们提供了一个原子级观测研究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,为我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。
近几年,国外学者已经开始利用原子力显微镜进行晶体生长机理的研究,特别是研究生长界面的动态过程,这些研究已经对传统的晶体生长理论和模型带来了冲击和挑战,在此基础上,晶体生长理论可望有新的突破。
这方面的工作不仅有利于晶体生长理论本身的发展,而且有利于指导晶体生产实践,具有重要的理论和实际意义。
应用原子力显微镜研究和修正晶体生长机理已取得以下一些比较典型的进展。
(1)BCF模型受到冲击和挑战BCF模型于1951年提出并成为晶体生长理论研究的一个里程碑。
原子力显微镜的原子级观测研究表明,BCF模型中关于过饱和度与生长丘斜率等的关系并不完全正确。
一些学者对此进行了研究,1997年美国的J.J.De Y oreo和nd等观察研究了K DP晶体{101}面上的生长丘细节及台阶速度,发现在实验的过饱和度范围内(3%～30%),生长丘上台阶宽度与过饱和度及位错结构都无关,这一点是与BCF模型相矛盾的。
并且发现每一生长丘中心为一位源, Bue g ers矢量大于一个晶胞高度时,位错中心有一空核,这一点早已被理论预测,但在以前的光学显微镜下是无法看到的。
由于这一空核的存在,使传统的BCF模型中关于过饱和度与生长丘斜率的关系式需要修改。
从最近的报道看来,有关BCF模型的修正还没有定论。
(2)杂质对生长台阶的阻止作用杂质对生长台阶的影响早已有一些理论模型,比如于1958年提出的杂质浓度与二维临界核半径关系的C—V模型。
该模型提出很长时间以来,缺乏直接的观测验证,在原子力显微镜出现以后,1999年日本学者T os2 bitak N akada等利用原子力显微镜对有机大分子晶体溶菌酶上的杂质效应进行了研究,并验证了杂质浓度与二维临界核半径的关系,从而验证了C—V 模型。
更主要的是,同时也发现了C—V模型的局限性,促进了杂质对生长台阶影响这一课题的发展。
(3)晶面结构各向异性对生长机理的影响晶面结构各向异性对晶面生长机理的影响早有研究,Scienc e and Technolo gy Re view3/2003 10但以前只能观察到大台阶,许多细微结构并未观察到。
原子力显微镜为研究更细层次的晶面结构和生长各向异性提供了条件,这方面的研究已得到了一些非常有益的成果,而且这些成果没有被以前的任何理论模型所预见。
例如,1999年美国学者A.J.M alkin借助原子力显微镜对有机大分子晶体的研究中就发现了晶面生长各向异性;在过氧化氢酶晶体的(001)面上,生长层高度恰为半个晶胞大小,相邻上下两层的生长花纹、生长快慢方向均呈二次轴的关系;而且上下两层生长快慢方向相反也正可解释“死带”现象(即在一定过饱和度条件下,本来晶本应该生长但未生长的现象,以前都是用杂质对台阶生长阻止效应来解释的)。
这种结构造成的生长各向异性是具普遍意义的,但这样细节的生长各向异性在没有原子力显微镜时是无法看到的。
(4)用于研究有机大分子晶体生长机理的特殊性相对于无机晶体来说,有机大分子晶体生长的机理一直尚不清楚,但由于有机大分子晶体生长速度较慢、有较大的分子直径,所以这些特征都有利于用原子力显微镜来观察分析。
近来的研究取得的一些成果表明,有机大分子晶体生长同无机晶体生长是有区别的。
关于这方面,本文在后面还有所涉及。
2.原子力显微镜在物理学中的应用在物理学中,AFM可以用于研究金属和半导体的表面形貌、表面重构、表面电子态及动态过程,超导体表面结构和电子态层状材料中的电荷密度等。
从理论上讲,金属的表面结构可由晶体结构推断出来,但实际上金属表面很复杂。
衍射分析方法已经表明,在许多情况下,表面形成超晶体结构(称为表面重构),可使表面自由能达到最小值。
而借助AFM可以方便地得到某些金属、半导体的重构图像。
例如,S i(111)表面的7×7重构在表面科学中提出过多种理论和实验技术,而采用AFM与ST M相结合技术可获得硅活性表面S i(111)-7×7的原子级分辨率图像。
AFM已经获得了包括绝缘体和导体在内的许多不同材料的原子级分辨率图像。
随着扫描探针显微镜(SPM)系列的发展和技术的不断成熟,使人类实现了纳秒与数十纳米尺度的过程模拟,从工程和技术的角度开始了微观摩擦学研究,提出了分子摩擦学和纳米摩擦学的新概念。