碳纳米管原子力显微镜针尖的研究进展

　　1　引言

　　原子力显微镜(Atomic Force Mi-croscopy,AFM)是Binning等人于1986年发明的,在许多基础和研究领域中得到广泛使用,成为一种有用的超微观察工具。特别是对于不具有导电性的生物样品和有机材料等,AFM同样可以提供较高分辨率的表面形貌图像,而导电性是SEM等其它高分辨率的观察方法所必需的前提条件^[1-4] 。原子力显微镜可以在近自然的大气或液体条件下成像,获得三维表面信息,而且结果直观,这使其在生物大分子的结构研究中较其它的研究手段更具有明显的优势^[5-6] 。同时,AFM还具有操纵和改造原子、分子世界的手段。然而AFM是否会得到更进一步的发展,主要取决用于成像针尖的结构与功能,针尖的形状和尺寸决定获得图像的分辨率及纳米操纵加工的能力。

　　2　原子力显微镜的原理和探针针尖

　　2.1　原子力显微镜的原理

　　AFM由探针-悬臂、检测系统和反馈电路组成,如图1所示。样品固定在可以进行三维(X,Y,Z)扫描的压电陶瓷移动台上,当针尖在样品上扫描时会引起微悬臂的形变,导致反射激光束在检测器中的位置发生改变,激光强度差代表悬臂形变量。在反馈电路的作用下,样品表面起伏引起的微悬臂形变通过压电陶瓷管在Z方向的伸缩进行补偿,从而通过计算机系统表示出样品的表面形貌。

　　AFM有两种基本的成像模式:接触模式和敲击模式。在接触模式中,针尖通过保持和样品接触来获得表面信息。接触模式对较硬的样品成像效果好,这是由于针尖能提供较大的侧向力,对于较软的生物样品的检测,会造成样品的移动和损坏;在敲击模式下扫描时,探针的悬臂在它的共振频率附近振动,探针在每次振动中“敲击”样品一下,振动幅度受到样品表面起伏的影响而改变,从而获得样品的结构信息。此模式较适合柔软的生物样品的检测。

　　2.2　原子力显微镜针尖

　　原子力显微镜成像的分辨率取决于探针针尖的尖锐程度,如果针尖没有达到原子级,成像的分辨率就会降低,同时针尖的表现不仅依赖于其形状和尺寸,而且与针尖的化学组成和表面性质也密切相关。传统的探针针尖是由单晶硅(Si)和氮化硅(Si3N4)制作的,是微悬臂—针尖一体化的结构[7]。这样结构的针尖是金字塔形的,其锥角为20°~30°,硅针尖的曲率半径为5~10nm、氮化硅的曲率半径为20~60nm。研究人员采取了一些技术措施来改善针尖的这些几何因素,用氧化的方法使氮化硅针尖的曲率半径降到5nm,同时改善了其纵横比;采用电子束加工改善硅针尖的纵横比,针尖的半径可降低到5 nm以下。尽管相关技术的进步改善了针尖的尖锐程度,但仍然存在着一些局限性,例如:针尖性质的变化很大,这样获得高分辨率的图像变得很难[8]。另外,针尖扫描时的磨损对分辨率也有影响。