The Application of Atomic Force Microscopy to Chemistry Liu Jia , Wang Huanru, Gao Hongjing* (Department of Chemistry, Tsinghua University, Beijing 100084) Abstract Atomic force microscope (AFM) is a new type of microscope based on the principles of scanning tunneling microscope. It can be applied for investigating surfaces of conductors, insulators and liquids by measuring forces between the atoms of the tip and the sample through contact or non-contact model. The basic principle of AFM and its application in chemistry are reviewed briefly in this paper. Key words Atomic force microscopy, Surface analysis, Review. 摘要 原子力显微镜(Atomic Force Microscope，简称 AFM)是在扫描隧道显微镜基础上发展起来的一种新型显微镜，利用探针表面原子与样品表面原子之间相互作用力，使用接触和非接触两种模式获得导体、非导体材料以及液体的表面信息。目前 AFM 在化学领域中已经有了多方面的应用。本文简要介绍了 AFM 的原理及其在化学中的应用。 关键词 原子力显微镜 表面分析 评述 原子力显微镜在化学中的应用 刘嘉 王焕茹 高鸿锦* （清华大学化学系 北京 100084） 扫描隧道显微镜(STM)能在多种实验环境下高分辨地实时观察导体和半导体的表面结构，提供了许多其他表面分析技术不能提供的新信息。但是 STM 只能直接观察导体和半导体的表面结构，对于非导体材料往往采取覆盖导电膜的方法进行间接观察，而导电膜的存在往往掩盖了表面结构的细节，而且即使是导电材料，STM观察到的是对应于表面费米能级处的态密度，当表面存在非单一电子态时，STM 得到的是表面形貌和表面电子性质的综合结果。1986年 Binnig 等发明了第一台 AFM[1] 弥补了STM 的不足。它不仅能给出样品的表面形貌，而且可得到样品表面在垂直方向的绝对高度。 1 原理[1,2] 基于原子间振动频率ω一般近于或大于1013Hz，原子质量m为10-25Kg量级，原子间作用力弹性常数 k=ω２ m，可计算出k的量级为10N/m，因此若使用弹性常数低于原子间弹性常数一个量级的探针悬臂，使其针尖与样品表面原子相互作用，反馈控制系统通过压电晶体管移动样品并控制样品和探针的作用力恒定(10-6 ~10-8N)，利用光学检测法或隧道电流检测法，就可分辨出埃量级位移，并对样品表面进行成象，从而得到原子级形貌图象。
图 1 AFM 的组成部分示意图
AFM 的组成部分示意图见图1。 A:样品；B:AFM 探针尖；C:探测器；D:微悬臂；E:调制压电陶瓷；F:氟橡胶；G: 压电晶体管；H: STM 反馈；I:基架(铝)。 AFM 必须具备以下要素：在弹性常数很小的悬臂上镶有非常尖锐的探针，具有低的弹性常数、高的力学共振频率、高的横向刚性、短的悬臂长度；探测悬臂能上下弯曲；监测和控制悬臂弯曲的反馈系统；机械扫描系统（主要是压电晶体管）是AFM最为关键的部件，是所得扫描信息的准确性与精确性的控制因素，它通过移动使样品相对探针作垂直方向的精密移动，以得到清晰图象；将所测数据转化图象的显示系统。一台具有标准扫描头(25μm)的AFM(如美国 Burleigh 公司 Metris-2000AFM)提供的扫描图像，其位置精度X、Y为15埃，Z为2埃，图像分辨率X、Y小于150埃，Z小于10埃。 2 应用 1990年 Rugar 等[3]介绍了 AFM 产生的背景、原理及早期的应用，并对其未来前景进行了极为乐观的展望。此后，有关AFM在大分子结构、生物工程、细胞学以及蛋白质晶体的研究中获得广泛应用。 2.1 无机材料的表面形貌 目前应用 AFM 已经获得的许多无机材料的原子级分辨图象。利用 AFM，Binnig 等[4]研究石墨表面并获得2.5埃分辨率的图象；LiF(001) [5]和 NaCl(001) [6]表面 AFM 成象，并将结果与氦散射的结果进行了比较；Albrecht 等[7]进行二氮化硼、二硫化钼和石墨成像并研究了低质量力敏悬臂的构造过程。 Manne 等[8,9]用 AFM 研究了云母上外延膜中的金原子，获得的晶格间距3.0±0.3埃与STM法在空气和真空中得到的结果相同。对AFM而言，即使样品表面、尖端和悬臂都浸没在水中原子图象依然可见，从而使金属电极在原子分辨水平上的电化学研究成为可能。进而 AFM 用于研究在金上铜的电化学沉积，观察了从 Au(Ⅱ)表面到大量铜沉积的电化学过程，铜被剥离至低电位沉积单层直到回至裸露金表面。在不同的电解质溶液中低电位沉积单层结构不同，在高氯酸电解液中紧密堆积间隔0.29±0.02nm，而在硫酸盐电解液中松散堆积间隔0.49±0.02nm。随铜沉积层的增厚，两种电解液中的铜原子趋向堆积间隔0.26±0.02nm。另外，在铜溶解中出现台阶模式，一个区域是铜单层，另一个区域是金单层，铜单层晶格对金单层晶格有300的旋转。 Schwartz 等[10] 通过研究AFM图象证实十八烷基三氯硅烷在云母片上晶核离析形成自组装单层。模拟计算表明，分形结构比二维扩散聚集模型好得多。随着硅烷覆盖率的增加，生长区域的分数维数由1.6延伸到1.8。Mate[11]等用 AFM 研究厚度小于20埃的全氯代聚醚的液膜并测定其厚度和 AFM 顶的弯月液气界面图象。横向1000埃的分辨证明 AFM 研究液膜的独特能力。另外观察到液膜厚度小于300埃的均一分布和大于300埃时表面缓慢反润湿；通过弯月半径的测量能推测出液膜的膨胀压。Marti 等[12]研究了n-(2-氨基)-10,12-二十三碳二炔氨的聚合单层，指出平行的分子列间有0.5nm的间隙，获得图象施加的力(10-8N)对聚合物排列(strands)没有明显影响。 Weisenhorn 等[13]用 AFM 观察了中性分子和离子在沸石表面的吸附。利用稀释叔丁基氯化铵为介质获得斜蒸沸石的直接观测，叔丁基氯化铵中性分子在其上规则排列而叔丁基铵离子成簇排列。同时发现当 AFM 的尖端施以足够大的力时，叔丁基铵离子在沸石表面重排，这种分子可控性给生物传感器等技术上提出新的应用。 在此方面国内学者也已经做出了一些有益的尝试。杨志刚等[14]首次采用 AFM 观察 Cu-Zn-Al 合金中的马氏体和贝氏体浮突的三维真实形貌，测量了马氏体和贝氏体的浮突切变角和高度。结果表明马氏体浮突的切变角和相变表象理论符合较好，而贝氏体浮突切变角远远小于马氏体，不符合相变表象理论，并认为贝氏体浮突是亚单元浮突造成的浮突群，证实了 Cu-Zn-Al 合金中的贝氏体亚单元的客观存在。吉元等[15]在铝液中直接通入氧气，生成的 Al2O3 颗粒均匀分布在铝液中制造 Al/Al2O3 颗粒复合材料，样品在只抛光不腐蚀条件下借助AFM观察三维形貌并测量颗粒的尺寸从而证明了新技术的可行性。白春礼等[16]利用 AFM 研究了中介相碳小球及其在1000℃和2800℃下碳化和石墨化产物0.5μm以下颗粒的大小、形貌和结构变化，获得非常清晰的 AFM 纳米级单个颗粒形貌图。 2.2 生物大分子的有序结构 Hansma 等[17] 综合评述并比较了STM和AFM在生物技术中的应用。Radmacher 等[18]综合评述了 AFM 在有机样品从分子分辨有机薄膜到活的细胞应用，讨论了图象形成机理，介绍了新的成象模式，并且观察了 Langmuir-Blodgett 膜。 AZUMIR 等[19]用 AFM 观察了人造表面活性剂气泡、类囊体细胞膜及大肠杆菌整个细胞，证明 AFM 可以用于直接观察感兴趣的生物学分子集合体。Hansma 等[20] 在云母上获得正丙醇中的 DNA 质体的可重现图象，特别尖锐的AFM针尖给出了 DNA 的纳米级可重现图象。在选择的位置上通过增强 AFM 针尖的力，质体能在丙醇中被剖析。Hoh 等[21]研究了磷酸缓冲硅烷中肝状缝连接的结构，获得厚度为14.4nm，接近电子显微镜的报道。加力于 AFM 的尖端，缝连接的顶膜被剖取，使低膜的细胞外区域得以露出。这种“力剖析”作用于胰酶消化和戊二酸醛固定的样品上时，呈现出9.1nm中心距的缝连接的半通道六角阵列。Drake 等[22]研究聚氨基丙酸，显示了 AFM 在揭示生物和药物分子结构中的重要作用，研究了的血凝块的基本组成――纤维素聚合物图象，显示了 AFM 在研究实时生物过程中微妙细节的能力。Chi 等[23]研究 Langmuir-Blolgett 膜的区域结构，在30－200nm范围内获得的图象与荧光显微镜图象相似，而在硬脂酸区域内较好结构(<1mm)用通常显微技术难以实现。AFM 发现液态凝聚相区的弹性性能与液态膨胀相区观察的晶体相匹配，区域内微小软残余物亦可被探测到，痕量荧光染料对于单分子层微观形态学的影响能在传递膜上探测。汪新文等[24]采用 AFM 研究了扫描针尖对λ—DNA/Hind Ⅲ变性样品成象的影响，发现商用 AFM 针尖对那些与基底结合疏散短片段DNA分子存在搬移和切割作用，在不同扫描范围影响程度不同，且针尖对 DNA 链的破坏程度亦与扫描时间长短有关。 2.3 液晶分子的取向 AFM在液晶方面的应用主要集中于取向剂的研究。Zhu 等[25]观察了聚酰亚氨从微米到纳米范围内，由于摩擦造成的定向刮痕及其微观结构，并在纳米级范围上观察定向聚酰亚氨聚集体，在此基础上讨论了基于此膜的液晶取向剂。Kim 等[26]观察到未摩擦的聚酰亚氨膜包括不同大小的随机分布的聚酰亚氨簇，摩擦后簇沿着长链取向，低摩擦强度下簇链间隔100nm，强度增加则间隔增大。为了更好了解取向机理，Pidduck 等[27]研究了聚合物表面形态对于摩擦条件的依赖性。鉴定了由于摩擦造成的五种表面特征形态：单点缺陷；偶深刮痕(>5nm)；大量浅刮痕(<1nm)；纳米级表面岛(3-10nm高，数密度>109/cm2)；变更背景织构。作为观察的特征，只有偶尔极深离轴刮痕明显影响水平LC取向，在微摩擦条件下观察的准周期特征指出，初始摩擦属于“粘－滑”机理，而且这种特征对纤维表面接触大小给出一种估计。宣丽等[28]观测了附着在ITO玻璃上的取向剂聚乙烯醇膜的表面形貌，并与ITO玻璃及载玻片表面形貌进行了对比，结果表明只有重摩擦后的聚乙烯醇表面和载玻片表面出现摩擦沟痕。表面摩擦后的各种材料基板作夹心式液晶盒，向列相液晶5CB(pentycyanoipeny)能定向排列，从而得出结论100nm的粗糙度不破坏5CB这种分子尺寸的液晶排列，分子尺寸的摩擦痕迹在排列中起关键作用，排列机理与表面分子结构无关。我们利用AFM(美国 Burleighg 公司 Metris-2000型)测得聚酰亚胺取向膜摩擦后的显微图(见图2)。
图2 聚酰亚胺取向层的AFM 图象
AFM 的发展历史并不长，在国内还处于起步阶段，在化学中的应用还不甚广泛，相信随着这方面研究工作的深化，它在化学领域中将会开拓出更多的应用，前景广阔。 3 参考文献 [1] Binnig G, Quate C F, Gerber C. Phy. Rev. Lett., 1986, 56(9):930 [2] 白春礼.扫描隧道显微术及其应用,上海:上海科学技术出版社,1992:91-132 [3] Rugar D, Hansma P. Physics Today, 1990,23 [4] Binnig G, Gerber C,Stoll E et al. Europhys. Lett., 1987, 3(12):1281 [5] Meyer E, Heinzelmann H, Rudin H et al. Z. Phys. B-Condensed Matter, 1990, 79:3 [6] Meyer G, Amer N M. Appl. Phys. Lett., 1990, 56(21):2100 [7] Albrecht T R, Quate C F. J. Vac. Sci. Technol. A, 1988, 6(2):271 [8] Manne S,Butt H J, Gould S A C et al. Appl. Phys. Lett., 1990, 56(18):1758 [9] Manne S, Hansma P K , Massie Jet al. Science, 1991, 251:183 [10] Schwartz D K, Steinberg S, Israelachvili J et al. Phy. Rev. Lett., 1992, 69(23):3354 [11] Mate C M, Lorenz M R, Novotny V J et al. J. Chem. Phys., 1989, 90(12):7550 [12] Marti O, Ribi H O, Drake B et al. Science, 1988, 239:50 [13] Weisenhorn A L, Dougall J E M , Gould S A C et al. Science, 1990, 247:1330 [14] 杨志刚,方鸿生,王家军等. 中国有色金属学报，1996,6(2):61 [15] 吉元,钟涛兴,李英等. 分析测试学报，1996,15(6):77 [16] 白春礼,谭忠印,汪振霞等. 电子显微学报，1997,16(6):747 [17] Hansma P K , Elings V B , Marti O et al. Science, 1989,242:209 [18] Radmacher M, Tillmann R W,Fritz M et al. Science, 1992, 257:1900 [19] Azumir R, Matsumoto M, Kawabata Y et al. Chem. Lett., 1991,1925. [20] Hansma H G , Vesenka J, Siegerist C et al. Science, 1992, 256:1180 [21] HohJ H, Lal R, John S A et al. Science, 1991, 253:1405 [22] Drake B, Prater C B , Weisenhorn A L et al. Science, 1989, 243:1586 [23] Chi L F , Anders M, Fuchs H et al. Science, 1993, 259:213 [24] 汪新文，白春礼，朱传凤等. 化学通报，1997,3:48 [25] Zhu Y M, Wang L, Lu Z H et al. Appl. Phys. Lett., 1994, 65(1):49 [26] Kim Y B , Olin H,.Park S Y et al. Appl. Phys. Lett., 1995, 66(17):2218 [27] Pidduck A J, Bryan-Brown G P, Haslam S et al. J.Vac.Sci.Technol.A, 1996, 14(3):1723 [28] 宣丽,神山勉,川村泰彬等. 液晶通讯,1993,1:1 刘嘉 男， 24 岁，硕士研究生，从事液晶化学和液晶物理的研究 高鸿锦 男，58岁，教授，从事液晶化学和液晶物理的研究 *联系人