扫描探针显微镜的进展

　　1 引 言

　　1986年Binnig与斯坦福大学的 Quate和IBM苏黎士实验室的Christopher Gerber合作推出了原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, 简称AFM)[1,2],这是一种不需要导电试样的扫描探针显微镜(scanning probemicroscope,SPM),扫描探针显微镜的发明使人们对物质世界的认识与改造深入到了原子、分子层次。由于SPM 的针尖曲率半径小，且与样品之间的距离很近( <1nm) ,在针尖与样品之间可以产生一个高度局域化的场,包括力、电、磁、光等。该场会在针尖所对应的样品表面微小区域产生结构性缺陷、相变、化学反应、吸附质移位等干扰,并诱导化学沉积和腐蚀，这正是利用SPM 进行纳米加工的客观依据。同时也表明,SPM 不是简单用来成像的显微镜,而是可以用于在原子、分子尺度进行加工和操作的工具[3-10]。这种全新的显微镜在物理学、化学、生物、微电子学与材料科学等领域获得了极为广泛的应用,以至人们逐渐认识到：这类显微镜的问世不仅仅是显微技术的长足发展,而且标志着一个科技新纪元——纳米科技时代的开始。 扫描探针显微镜在不到30 年的时间里得到了飞速的发展,为了适应不同的研究需要,出现了各种发展方向。

　　2 多模化发展

　　扫描探针显微镜在成像原理上，目前有三种工作模式：接触模式(contact mode)、非接触模式(non-con-tact mode)和动态模式(Dynamic mode，也称作轻敲tap-ping mode)[11]。图1 比较了AFM 的不同工作模式。在以上三种基本成像模式的基础上,现在已经发展起来以AFM 为基础的各种扫描探针显微镜。陆续发展的显微镜有:磁力显微镜(MFM)、横向力(摩擦力)显微镜(LFM)、静电力显微镜(EFM)以及粘弹性测量显微镜等仪器,以满足研究不同性质样品之需要,他们一起组成一个庞大的显微镜家族。在本文中将介绍在生物医学等软样品等领域中应用越来越广泛的粘弹性测量显微镜。

　　相位测量模式(Phase 模式)为SPM 的测量模式的一种。相位测量模式可同时观察在动态模式工作时样品表面的形状和表面物性的分布，在SPM 的各种物性测量模式中,作为可简单进行高分辨率的观察手法备受瞩目。相位测量模式检出，使动态模式操作时探针振动的相位滞后。在动态模式操作中,控制探针- 样品间的距离,使产生共振的探针的振动振幅保持一定,进行形状测量。使探针发生振动的双压电晶片振动的信号称为输入信号。在相位测量模式中,同时检出相对于输入信号的实际探针的振动信号(输出信号)相位滞后和振动振幅。相位对有吸引力和粘弹性的表面物性的影响较敏感,吸引力越大或越软,滞后也越大。将相位滞后的大小影像化,可观察到表面物性的分布(相位像)。SHIMADZU SPM 9500 系列SPM 可以将物体的粘性和弹性从相位成像中很好的分离出来,在测定样品表面形貌的同时,可以测定物体的粘性、弹性以及物体表面的软硬程度。