非接触调频模式AFM的发展及生物学应用

李 林 张金金 胡 钧

(中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800)

原子力显微镜(AFM)是用探针针尖和样品表面原子间的范德华力呈现样品表面特征的扫描探针显微镜，能对金属、半导体和绝缘体表面进行成像。在材料科学领域，AFM为了解材料的表面形貌特征提供了直接依据；在生物领域，AFM对不同环境下生物分子结构在纳米尺度上的成像发挥了重要作用[1–3]。AFM的成像模式有接触模式、轻敲模式和非接触调频模式。非接触调频模式AFM具有分子和原子级别的成像分辨能力[4,5]，样品几乎不受到影响和损伤，即使对软物质表面也能进行高分辨成像，从而使AFM的应用跨前了一步。

1 非接触调频模式AFM在真空中的高分辨成像

非接触调频模式AFM的成像原理是：当探针靠近样品表面时，由于范德华力的作用，探针悬臂的共振峰会发生偏移，探测该频率偏移并维持其恒定，可进行反馈成像[5]。系统流程如图1所示。非接触调频模式AFM的成像参数为探针悬臂振幅、成像频率偏移和频率偏移基准。为实现高分辨，通常先设定频率偏移基准为零，再细微调节探针悬臂振幅和成像频率偏移，优化成像条件。须注意的是，探针悬臂振幅减小时，最大成像频率偏移会增加。

图1 非接触调频模式AFM系统流程图Fig.1 Schematics of non-contact frequency-modulation AFM.

图2(a)为扫描隧道显微镜(STM)对硅晶体(111)-(7×7)表面的成像图(横坐标为扫描范围)，每一硅晶格呈菱形，含有12个硅原子，菱形对角线分别为4.66和2.69 nm；图2(b)是非接触调频模式AFM在真空中对该样品表面的高分辨成像图，图像中上部可清晰分辨出单个硅原子和五个硅晶格，且每个晶格内硅原子的排布情况与扫描隧道显微镜图像一致。……