一文看懂扫描隧道显微镜STM/AFM

　　扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope，缩写为STM)，亦称为扫描穿隧式显微镜，是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。它于1981年由格尔德·宾宁及海因里希·罗雷尔在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明，两位发明者因此与恩斯特·鲁斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。

　　它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外扫描隧道显微镜在低温下(4K)可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。

　　它主要是利用一根非常细的钨金属探针，针尖电子会跳到待测物体表面上形成穿隧电流，同时，物体表面的高低会影响穿隧电流的大小，针尖随着物体表面的高低上下移动以维持稳定的电流，依此来观测物体表面的形貌。

　　换句话说，扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。就如同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要被分析的材料(针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成)。一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流从探针流出，通过整个材料，到底层表面。当探针通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同，这些变化被记录下来。电流在流过一个原子的时候有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。在许多的流通后，通过绘出电流量的波动，人们可以得到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片。

　　原子力显微镜(atomic force microscope，简称AFM)，也称扫描力显微镜(scanning force microscopy，SFM))是一种纳米级高分辨的扫描探针显微镜，是由IBM苏黎士研究实验室的比宁(Gerd Binning)、魁特(Calvin Quate)和格勃(Christoph Gerber)于1986年发明的。AFM测量的是探针顶端原子与样品原子间的相互作用力——即当两个原子离得很近使电子云发生重叠时产生的泡利(Pauli)排斥力。工作时计算机控制探针在样品表面进行扫描，根据探针与样品表面物质的原子间的作用力强弱成像。

世界上第一台原子力显微镜和发明人之一比宁

　　以一种简单的方式进行类比，如同一个人利用一艘小船和一根竹竿绘制河床的地形图。人可以站在小船上将竹竿伸到河底，以此判断该点的位置河床的深度，当在一条线上测量多个点后就可以知道河床在这条线上的深度。同样道理绘制多条深度线进行组合，一张河床的地形图就诞生了。与此类似，在AFM工作时的，原子力传感器相当于人和他手中的竹竿，探针顶端原子与样品原子间作用力的大小就相当于竹竿触及河底时水面下的长度。这样，在一艘小船(控制系统)的控制下进行逐点逐行的扫描，AFM就可以绘制出一张显微图像啦。

普通原子力显微镜的原理示意图

　　原理解释起来并不算十分复杂，但是AFM的发明、使用与改进汇聚了大批科学家们的辛劳努力和创造性思维。特别是拍摄到氢键实空间图像所使用的非接触式原子力显微镜，经过分子沉积、温度控制、防振、探针、真空、控制系统等多方面的摸索与改造才最终具有如此强大的分辨能力。

    1 基本原理

　　原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。

　　2 成像模式

　　原子力显微镜的主要工作模式有静态模式和动态模式两种。在静态模式中，悬臂从样品表面划过，从悬臂的偏转可以直接得知表面的高度图。在动态模式中，悬臂在其基频或谐波或附近振动，而其振幅、相位和共振与探针和样品间的作用力相关，这些参数相对外部参考的振动的改变可得出样品的性质。

　　1）接触模式

　　在静态模式中，静态探针偏转用做反馈信号。因为静态信号的测试与噪音和偏移成正比，低硬度探针用来增强外偏转信号。然而，因为探针非常接近于样品的表面，吸引力非常强导致探针切入样品表面。因此静态原子力显微镜几乎都用在总使用力为排斥力的情况。结果，这种技术经常被叫做“接触模式”。在接触模式中，扫描过程时保持探针偏转不变来使其探针和样品表面的作用力保持恒定。

　　2）非接触模式

原子力显微镜非接触模式

　　在这种模式下，悬臂上的探针并不接触样品表面，而是以比其共振频率略高的频率振动，振幅通常小于几纳米。范德华力在探针距离表面样品1~3纳米时最强，它与其他在表面上的长程力会降低悬臂的振动频率。

　　通过调整探针与样品间的平均距离，频率的降低与反馈回路一起保持不变的振动频率或振幅。测量(x,y)每个数据点上的探针与样品间的距离即可让扫描软件构建出样品表面的形貌。

　　在接触模式下扫描数次通常会伤害样品和探针，但非接触模式则不会，这个特点使得非接触模式通常用来测试柔软的样品，如生物组织和有机薄膜;而对于坚硬样品，两个模式得到的图像几乎一样。然而，如果在坚硬样品上裹有一层薄膜或吸附有流体，两者的成像则差别很大。接触模式下探针会穿过液体层从而成像其下的表面，非接触模式下则探针只在吸附的液体层上振动，成像信息是液体和下表面之和。

　　动态模式下的成像包括频率调制和更广泛使用的振幅调制。频率调制中，振动频率的变化提供探针和样品间距的信息。频率可以被非常灵敏地测量，因此频率调制使用非常坚硬的悬臂，因其在非常靠近表面时仍然保持很稳定;因此这种技术是第一种在超高真空条件下获得原子级分辨率的原子力显微镜技术。振幅调制中，悬臂振幅和相位的变化提供了图像的反馈信号，而且相位的变化可用来检测表面的不同材料。 振幅调制可用在非接触模式和间歇接触领情况。在动态接触模式中，悬臂是振动的，以至悬臂振动悬臂探针和样品表面的间距是调制的。[来源请求]振幅调制也用于非接触模式中，用来在超高真空条件下使用非常坚硬的悬臂和很小的振幅来得到原子级分辨率。

　　3）轻敲模式

在不同的pH的溶液环境中使用轻敲模式得到的高分子单链的原子力显微镜图(0.4 nm 厚)

　　通常情况下，绝大部分样品表面都有一层弯曲液面，为此非接触模式下使探针足够靠近样品表面从而可以测试短程力，但是此时探针又容易粘贴到样品表面，这是经常发生的大问题;动态模式就是为了避免此问题而发明的，又叫做间歇接触模式(intermittent contact)、轻敲模式(tapping mode)或AC模式(AC Mode)。在轻敲模式中，悬臂通过类似于非接触下的装载在探针上的微小的压电元件做来上下振动，频率在其共振频率附近，然而振幅则远大于10纳米，大概在100~200纳米间。当探针越靠近样品表面时，探针和样品表面间的范德华力、偶极偶极作用和静电力等作用力会导致振幅越来越小。电子自动伺服机通过压电制动器来控制悬臂和探针间的距离，当悬臂扫描样品表面时，伺服机会调整探针和样品间距来保持悬臂的预设的振幅，而成像相互作用力则得到原子力显微镜轻敲模式图像。轻敲模式减少了接触模式中对样品和探针和损伤，它是如此的温和以致于可以成像固定的磷脂双分子层和吸附的单个高分子链。比如液相的0.4纳米厚的合成聚合物电解质，在合适的扫描条件下，单分子实验可以在几小时内保持稳定。

　　3 优点与缺点

　　相对于扫描电子显微镜，原子力显微镜具有许多优点。不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM提供真正的三维表面图。同时，AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。第三，电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织。他就像盲人摸象一样，在物体的表面慢慢抚摸，原子的形状很直观的表现。

　　和扫描电子显微镜相比，AFM的缺点在于成像范围太小，速度慢，受探头的影响太大。