卞晓锴 陆晓峰 施柳青
（中国科学院上海原子核研究所膜分离中心，上海 201800）
摘 要 随着科学技术的进步，新型的观测仪器的出现为研究提供了先进的手段。本文关注于原子力显微镜，其基本的探测原理及在膜科学技术中的应用，由于原子力显微镜具有空前的高分辨率，为其在膜的表面形态与结构等的观测方面开启了一扇新的大门。
关键词 原子力显微镜；膜科学与技术；应用
1985年，Binnig与斯坦福大学的Calvin F. Quate 和IBM 苏黎士实验室的Christoph Gerber 合作推出了原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，简称AFM），这是一种不需要导电试样的扫描探针型显微镜。这种显微镜通过其粗细只有一个原子大小的探针在非常近的距离上探索物体表面的情况，便可以分辨出其他显微镜无法分辨的极小尺度上的表面细节与特征。由于它的出现，直接观测微观世界的大门被打开了。这种显微镜能以空前的高分辨率探测原子和分子的形状，确定物体的电、磁与机械特性，甚至能确定温度变化的情况。使用这种显微镜时无需使试样发生变化，也无需使试样受破坏性的高能辐射作用。
1．基本原理[1]
AFM是用一根细微探针象刻光栅线那样在试样表面来回扫描，探针是用只有原子宽的金刚石尖头（以下称为针尖）装在金属箔条（以下成为悬臂）上。它记录下来的是力的等值线，即探针尖端上的电子云与试验表面的原子的电子云相重迭时产生斥力的等值线。这一斥力的大小随试样表面起伏而变化。悬臂在此相互作用力下发生弯曲。一束激光照在悬臂上，并为悬臂所反射。当悬臂弯曲时，反射光的路径发生变化，通过一个放在反射路径上的光电二极管，便可检测出悬臂的弯曲程度。显微镜内的反馈装置根据激光束的路径变化来操纵Z轴压电控制装置，此装置调节试样的高度以使悬臂的弯曲程度保持不变。试样的运动最后转化为表示试样表面起伏情况的图象。AFM的分辨率仅受金刚石探针尖端的粗细的限制。
根据针尖与试样表面相互作用力的变化，AFM主要有三种操作模式[2]：接触模式（contact mode），非接触模式（non-contact mode），敲击模式（tapping mode）。
1.1接触模式
从概念上来理解，接触模式是AFM最直接的成像模式。正如名字所描述的那样，AFM在整个扫描成像过程之中，探针针尖始终与样品表面保持亲密的接触，而相互作用力是排斥力。扫描时，悬臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构，因此力的大小范围在10-10~10-6 N。若样品表面柔嫩而不能承受这样的力，便不宜选用接触模式对样品表面进行成像。
1.2非接触模式
非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方5~10nm的距离处振荡。这时，样品与针尖之间的相互作用由范德华力控制，通常为10-12 N，样品不会被破坏，而且针尖也不会被污染，特别适合于研究柔嫩物体的表面。这种操作模式的不利之处在于要在室温大气环境下实现这种模式十分困难。因为样品表面不可避免地会积聚薄薄的一层水，它会在样品与针尖之间搭起一小小的毛细桥，将针尖与表面吸在一起，从而增加尖端对表面的压力。
1.3敲击模式
敲击模式介于接触模式和非接触模式之间，是一个杂化的概念。悬臂在试样表面上方以其共振频率振荡，针尖仅仅是周期性地短暂地接触/敲击样品表面。这就意味着针尖接触样品时所产生的侧向力被明显地减小了。因此当检测柔嫩的样品时，AFM的敲击模式是最好的选择之一。
一旦AFM开始对样品进行成像扫描，装置随即将有关数据输入系统，如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰顶之间的最大距离等等，用于物体表面分析。同时，AFM还可以完成力的测量工作，测量悬臂的弯曲程度来确定针尖与样品之间的作用力大小。
