原子力顯微鏡是一種可用來(lái)研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。它通過(guò)檢測(cè)待測(cè)樣品表面和一個(gè)微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來(lái)研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。

原子力顯微鏡發(fā)展歷史

　　如何觀察、測(cè)量、分析尺寸小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)的物體，是科學(xué)技術(shù)中一個(gè)重要的研究方向。

　　1933年德國(guó)Ruska和Knoll研制了diyi臺(tái)電子顯微鏡。隨后，許多用于表面結(jié)構(gòu)分析的現(xiàn)代儀器問(wèn)世，如透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、場(chǎng)離子顯微鏡(FIM)、俄歇電子能譜儀(AES)、化學(xué)分析電子能譜(ESCA)儀等，但是多數(shù)技術(shù)都無(wú)法真正地直接觀測(cè)物體的微觀世界。

　　1982年，G.Binnig和H.Rohre共同研制成功了diyi臺(tái)掃描隧道顯微鏡(STM)，使人們能夠真正實(shí)時(shí)地觀察到單個(gè)原子在物體表面的排列方式和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)。1986年，兩人被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。掃描隧道顯微鏡的工作原理是基于量子理論中的隧道效應(yīng)。將原子線度的極細(xì)探針和被研究樣品的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品的表面與探針針尖的距離非常近時(shí)(一般小于1nm)，在外加電場(chǎng)作用下，電子會(huì)穿過(guò)兩個(gè)電子之間的勢(shì)壘流向另一電極，產(chǎn)生隧穿電流，因而掃描隧道顯微鏡要求樣品表面能夠?qū)щ?，從而使得掃描隧道顯微鏡只能直接觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體的表面結(jié)構(gòu)。對(duì)于非導(dǎo)電的物質(zhì)則要求樣品覆蓋一層導(dǎo)電薄膜，但導(dǎo)電薄膜的粒度和均勻性難以保證，且導(dǎo)電薄膜掩蓋了物質(zhì)表面的細(xì)節(jié)。

　　1986年推出的原子力顯微鏡(AFM)，克服了掃描隧道顯微鏡的不足之處。Binnig等用微懸臂作為力信號(hào)的傳播媒介，把微懸臂放在樣品和掃描隧道顯微鏡的針尖之間。原子力顯微鏡是通過(guò)探針與被測(cè)樣品之間微弱的相互作用力(原子力)來(lái)獲得物質(zhì)表面形貌的信息。因此原子力顯微鏡除用于導(dǎo)電樣品外，還能夠觀測(cè)非導(dǎo)電樣品的表面結(jié)構(gòu)，且不需要用導(dǎo)電薄膜覆蓋。它得到的是對(duì)應(yīng)于樣品表面總電子密度的形貌，可以補(bǔ)充掃描隧道顯微鏡對(duì)樣品觀測(cè)得到的信息，且分辨率可達(dá)原子級(jí)水平。1988年，國(guó)外開(kāi)始對(duì)原子力顯微鏡進(jìn)行改進(jìn)，研制出了激光檢測(cè)原子力顯微鏡。

　　1988年初ZG科學(xué)院白春禮等成功地研制了我國(guó)diyi臺(tái)集計(jì)算機(jī)控制、數(shù)據(jù)分析和圖像處理系統(tǒng)于一體的掃描隧道顯微鏡(STM)，于同年年底又研制出我國(guó)diyi臺(tái)原子力顯微鏡，其性能達(dá)到原子級(jí)分辨率。后來(lái)又在已有的掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的基礎(chǔ)上成功地研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)全自動(dòng)激光檢測(cè)原子力顯微鏡，其橫向分辨率為0.13nm。以掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡為基礎(chǔ)，衍生出了一系列掃描探針顯微鏡(SPM)，如激光力顯微鏡(LFM)、磁力顯微鏡(MFM)、掃描電化學(xué)顯微鏡(SECM)、近光光學(xué)顯微鏡(SNOM)、彈道電子發(fā)射顯微鏡(BEEM)、掃描離子電導(dǎo)顯微鏡(SICM)等。

　　2011年5月2日布魯克公司發(fā)布了一款具有創(chuàng)新性和獨(dú)特外形的原子力顯微鏡新品。該產(chǎn)品在不犧牲納米級(jí)分辨率的前提下，在提高顯微鏡成像速度方面取得了重大突破，其掃描速度提高了數(shù)百倍，能夠在數(shù)秒或數(shù)分鐘內(nèi)，而不是數(shù)小時(shí)或數(shù)天內(nèi)得出結(jié)果，是世界上掃描速度Z快的高分辨原子力顯微鏡。

原子力顯微鏡發(fā)展趨勢(shì)

　　由于原子力顯微鏡獨(dú)特的成像方式，使得它在科學(xué)研究工作中，如金屬、半導(dǎo)體材料、微電子、物理、化學(xué)、生物，納米材料、生命科學(xué)等眾多科學(xué)領(lǐng)域中得到迅速的發(fā)展和應(yīng)用。但對(duì)生物樣品的觀測(cè)還處在比較初級(jí)階段的水平上。

　　但近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究表明：原子力顯微鏡在生物醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用具有很大潛力。如果我們將細(xì)胞學(xué)、免疫學(xué)、生物化學(xué)、分子牛物學(xué)、生物物理學(xué)等與原子力顯微鏡技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，將原子力顯微鏡和其他儀器設(shè)備(如透射電子顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡、生物質(zhì)譜、核磁共振、X晶體衍射等)結(jié)合起來(lái)，相互補(bǔ)允、取長(zhǎng)補(bǔ)短，一定會(huì)獲得很好的研究結(jié)果。

　　當(dāng)然原子力顯微鏡也還有許多問(wèn)題尚未解決。如生物軟樣品分辨率的提高、生物標(biāo)本的固定、功能化探針的制備等。盡管如此，可以相信，隨著原子力顯微鏡技術(shù)的逐漸成熟，它將對(duì)生命科學(xué)的發(fā)展做出蘑大的貢獻(xiàn)。