一文讀懂AFM，從原理到應用

掃描隧道電子顯微鏡要求樣品表面能夠導電，只能直接觀察導體和半導體的表面結構，對於非導電樣品則要在表面覆蓋一層導電薄膜，導電薄膜的粒度和均勻性難以保證，會掩蓋樣品表面的細節，為了彌補STM的這一不足，1986年Binning，Quate和Gerber發明了第一臺原子力顯微鏡AFM。

AFM的基本工作原理：

圖1. AFM組成示意圖

原子力顯微鏡是將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸，由於針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的作用力（斥力或者範德華力），通過掃描時控制這種力的恆定，帶有針尖的微懸臂將對應於針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直於樣品的表面方向起伏運動。利用光學檢測法和隧道電流檢測法，可以測得微懸臂對應於掃描各點的位置變化，從而獲得樣品的表面形貌信息。

AFM操作模式：

接觸式：

圖2. AFM接觸式探針與樣品示意圖

該方式所感知的力是接觸原子的外層電子相互排斥的庫倫力，這種相互排斥的庫倫力大小在10^-8~10^-11 N，該方式可以穩定地獲得高分辨率樣品表面微觀形貌圖。缺點是檢測彈性模量低的軟質樣品時，樣品表層在針尖裡的作用下會產生變形，甚至劃傷；針尖和樣品接觸並滑行，容易使探針尖磨損甚至損壞。

非接觸式：

該模式下測量的作用力是以範德華力為主的吸引力，針尖-樣品間的距離大約5-20 nm。非接觸模式下針尖測量時不會使樣品表面變形，同時針尖也不易磨損，但是非接觸模式測量靈敏度要低些。

輕敲式：

圖3. AFM 輕敲式示意圖

該模式是用一個小壓電陶瓷元件驅動微懸臂振動，其振動頻率恰好高於探針的最低機械共振頻率，探針能夠對驅動信號起放大作用，當把這種受迫振動的探針調節到樣品表面時，探針與樣品表面會產生微弱的吸引力，這種吸引力會使探針的共振頻率降低，驅動頻率和共振頻率的產局增大，探針剪短振幅減少，用激光檢測出振幅的變化就可以推測出樣品表面的起伏。

該模式有效地克服了掃描過程中針尖劃傷樣品的缺點和針尖被拖過樣品而受到摩擦力等的影響。

相移模式：

圖4. 相移模式示意圖

作為輕敲模式的一項重要擴展技術，相移模式是通過檢測驅動微懸臂探針振動的信號源的相位角與探針實際振動的相位角之差的變化來成像。

AFM三大特點：

原子級的高分辨率：

光學顯微鏡的放大倍數一般不超過1000倍，電子顯微鏡的放大倍數極限為100萬倍，而AFM的放大倍數能高達10億倍。

圖5. Au(001)表面濺射單晶的AFM圖像

觀察活的生命樣品：

電子顯微鏡的樣品必須進行固定、脫水、切片等處理，只能觀察死的細胞或組織，因為原子力顯微鏡的樣本可以是各種物質，在大氣條件或者溶液中都能進行，可以觀察活的生命樣品及其動態過程。

圖6. 癌細胞的AFM圖像

加工樣品的力行為：

除了能測試樣品的硬度和彈性等，AFM還能產生和測量電化學反應，具有對標本的分子或原子進行加工的力行為，例如搬移原子，切割染色體等。

AFM應用實例：

1. 原子力顯微鏡研究小鼠生長板軟骨增生區發育過程中的結構和力學性能^[1]

生長板（growth plate, GP）是一種動態組織，通過軟骨細胞增殖，肥大和基質產生來驅動骨骼伸長。細胞外基質（extracellular matrix, ECM）是GP生物力學特性的主要決定因素，並被認為對軟骨細胞的幾何形狀和排列起關鍵作用，從而指導適當的生長板形態發生和骨伸長。為了闡明軟骨形態發生過程中形態與生物力學之間的關係，本文通過AFM研究了小鼠從胚胎期到成年期GP增生區的年齡依賴性結構和彈性特性。

圖7. 小鼠胚胎和發育階段的AFM圖像和ECM詳細圖像

參考文獻

[1] C. Prein, N. Warmbold, Z. Farkas, M. Schieker, A. Aszodi, H. Clausen-Schaumann, Structural and mechanical properties of the proliferative zone of the developing murine growth plate cartilage assessed by atomic force microscopy, Matrix Biology, 50 (2016) 1-15.

[2] B. Schuler, G. Meyer, D. Peña, O.C. Mullins, L. Gross, Unraveling the molecular structures of asphaltenes by atomic force microscopy, Journal of the American Chemical Society, 137 (2015) 9870-9876.

[3] A. Shiotari, Y. Sugimoto, Ultrahigh-resolution imaging of water networks by atomic force microscopy, Nature Communications, 8 (2017) 14313.