基于原子力显微镜技术测量衬底表面柔软样品高度的方法研究

　　1　引　言

　　原子力显微镜技术(AFM)是目前唯一能够同时在表面三维以纳米级精度进行实空间定量测量研究的技术,并且已经在微电子学和光盘工业上用于生产线在线控制或离线检测。AFM在生物学特别是分子结构生物学研究中已经得了许多明显的进展,但是由于目前AFM技术本身的限制,使得对于定量测量柔软样品的高度以及样品表面机械性质的研究等方面存在较大的难度。例如目前普遍接受的DNA双链分子的直径大约是2~2.2nm,而在空气中最常用的AFM轻敲模式(TM-AFM)测到的双链DNA的高度一般只有0.7~0.8nm。通常认为导致这样的测量结果的一个重要原因就是在AFM的轻敲模式中针尖对样品的压力仍然存在,从而使柔软的样品表面发生较大的变形。而我们最近发展的振动模式极化力显微镜则在定量测量柔软样品的高度上有明显的技术优势。

　　AFM是利用针尖和样品间相互作用力来开展样品表面的成像以及相关局域性质的研究。如果相互作用主要为范德华(Van de Walls)力,由于范德华力的作用力程很短,所以针尖只有在很靠近样品表面时才能稳定成像。如果在导电AFM针尖上加一定的偏压,如扫描极化力显微镜SPFM(scanning polarizationforce microscope)[1~7]和静电力显微镜EFM(ElectrostaticForceMicroscope)[8~11],利用针尖与样品之间形成的电场,可以使用针尖和样品间形成的极化力和静电力工作。与范德华力相比,作用力程更远,因此可以扩大针尖与样品稳定相互作用的距离。EFM中针尖与品的距离可达到上百个纳米,但是由于受到针尖和样品间距的限制,横向分辨率较低。扫描极化力显微镜则能研究导电性较差甚至绝缘的样品,这一特点可以使其扩展到对生物样品的研究。但是由于受到针尖和样品间距的限制,横向分辨率大约在20nm左右。

　　在SPFM的基础上,我们发展了振动模式扫描极化力显微镜VSPFM(Vibratingmode scanning polarizationforce microscope),即在加一定偏压的导电AFM针尖上外加振动驱动,使得针尖在其共振频率附近振动,通过调节针尖距离样品的高度,可以实现在极化力介下的非接触模式和轻敲模式之间的自由切换。在极化力介导的非接触方式中,极化力叠加在范德华力上,克服了在以范德华吸引力工作的非接触模式中,因成像力程太短而很难稳定的缺点;而在极化力介导的轻敲方式(VSPFM)中,可以用比AFM轻敲模式中最小稳定成像力更小的力进行成像。VSPFM中,当针尖与样品的间距在几个纳米范围内,特别是在极化力介导的非接触方式和轻敲方式的转折点处,样品成像主要依赖范德华力,极化力则起稳定反馈的作用。

　　2　实验方法与结果

　　实验是在NanoscopeⅢa Multimode AFM系统(Veeco/DI USA)上实现VSPFM工作模式后进行的。我们测量样品高度的方法是基于计算针尖从探测到样品的最高点处下降到衬底这一过程中针尖移动的距离,并结合样品最高点的不同情况以及衬底的粗糙度进行修正而得到的。实验中可以通过调节设置Asp(amplitude setpoint)的值来控制针尖与样品的间距。Asp设置得越大,针尖距离表面越远,直到无法对样品的形貌成像;Asp设置得越小,针尖越靠近表面。通过调节Asp的方法改变针尖的位置得到被测样品的高度。在实验中还需要确定Asp与针尖和样品间距d的关系:将Asp变化一定的值,所得空白区域定点扫描的截面图上呈阶梯状,测量台阶间距,得出Asp变化值与针尖在Z轴上位距离的关系,在较小范围内,这可以近似为线型关系。