假像是原子力顯微鏡（ＡＦＭ）技術(shù)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)問題，本文首先分析了 ＡＦＭ 實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生假像的常見原因及其可能產(chǎn)生的假像類型，然后以實(shí)驗(yàn)中得到的重復(fù)“豆芽形結(jié)構(gòu)”、完全一致的重復(fù)圓環(huán)形貌結(jié)構(gòu)和許多重復(fù)的三角形結(jié)構(gòu)的 ＡＦＭ 圖 像 為 例，分析了假像產(chǎn)生的原因，為 ＡＦＭ 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果分析中假像的辨別處理提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

關(guān) 鍵 詞：原子力顯微鏡；假像；納米技術(shù)

原子力顯 微 鏡（ＡＦＭ）早已成為納米材料研 究中重要的表征手段，并被廣泛應(yīng)用于物理、化 學(xué)、生物、醫(yī)藥等多個(gè)領(lǐng)域。ＡＦＭ 獲 得 的 樣 品 圖像是探針與樣品間相互作用力的一種表達(dá)，為 此，得到的 ＡＦＭ 圖像中不但有樣品的信息，還有 探針的信息。探 針 的 尺 寸、形 狀 等 都 對 ＡＦＭ 實(shí) 驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，如果想獲取橫向尺度為 １００ｎｍ 的 微 結(jié) 構(gòu) 形 貌 時(shí)，那 么 采 用 尖 端 直 徑 為 １０ｎｍ的探 針 時(shí)，目 前 研 究 人 員 認(rèn) 為 是 合 理 的。 即探針相對 樣 品 較 小，對 ＡＦＭ 測試的結(jié)果影響 可以忽略。如果探針信息對 ＡＦＭ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響 比較大時(shí)，往往被研究人員稱為“假像”。如 何 從 ＡＦＭ 圖 像 中 獲 取 樣 品 信 息，即 降 低 探 針 對 ＡＦＭ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，或者說辨別 ＡＦＭ 實(shí)驗(yàn)結(jié) 果中的假像，是 正 確 利 用 ＡＦＭ 對樣品進(jìn)行測試 分析實(shí)驗(yàn)中必不可少的一項(xiàng)技能。

ＡＦＭ 實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生假像的常見原因分析

  目前人們認(rèn)為 ＡＦＭ 實(shí)驗(yàn)中主要存在的假像 有探針引起的假像、掃描器引起的假像和電路、機(jī) 械系統(tǒng)引起的假像。探針引起假像的原因主要是 探針尺寸相對樣品結(jié)構(gòu)來說太大，首先會(huì)引起探 針對樣品尺度的展寬效應(yīng)，此時(shí)得到的球體往 往是扁球體。雖然寬度被探針展寬了，但其高度 信息還是真實(shí)的樣品信息。其次，探針太寬時(shí)，掃 描成像過程中無法到達(dá)樣品中孔結(jié)構(gòu)的底部，得 到圖像中孔的尺度比真實(shí)信息要小得多。另外， 實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常見到的樣品形貌圖像一邊比另外一邊 低的現(xiàn)象，也是因?yàn)樘结様嗟艋蛘邉e的原因造成 的探針太大，無法測到樣品較低一邊的信息。如 果實(shí)驗(yàn)中看到 ＡＦＭ 圖像中有很多重復(fù)的三角形 結(jié)構(gòu)圖 像 如 圖１Ｃ 所 示，這 是 由 于 樣 品 尺 寸 遠(yuǎn) 小 于探針尺寸，導(dǎo) 致 ＡＦＭ 圖 像 顯 示 的 不 是 樣 品 的 信息，而是探針的信息。如果針尖上粘附了一個(gè) 軟的細(xì)小污染物，還經(jīng)常會(huì)得到一些重復(fù)的“豆芽 形結(jié)構(gòu)”在 ＡＦＭ 形貌圖像中，如圖１Ａ 所示。解 決探針太大的問題可以通過挑選合適尺寸的探針 或者利用軟件對獲得的 ＡＦＭ 圖像進(jìn)行反卷積的 處理。

掃描器引起假像的原因主要是壓電陶瓷的磁 滯效應(yīng)、非 線 性 效 應(yīng)。ＡＦＭ 儀器中掃描器的執(zhí) 行部件一般是壓電陶瓷，它用于執(zhí)行 Ｘ、Ｙ 和Ｚ方 向的伸縮命令，達(dá)到定位和控制掃描成像的功能。 壓電陶瓷的磁滯效應(yīng)、非線性效應(yīng)等都會(huì)影響到 獲取的 ＡＦＭ 圖 像。比 如 原 本 尺 寸 均 勻 的 樣 品， 得到的 ＡＦＭ 形 貌 左 邊 的 尺 寸 小，向 右 則 圖 像 尺 寸逐漸增大。要解決掃描器引起的假像，通常需 要利用標(biāo)準(zhǔn)光柵樣品對掃描器進(jìn)行磁滯效應(yīng)、線 性和非線性校準(zhǔn)。

此外，探針和樣品的相對角度、ＡＦＭ 儀 器 的 機(jī)械漂移、電路反饋等噪音也會(huì)影響到獲得的 ＡＦＭ 圖 像。 探針不垂直樣品表面 時(shí)獲得的ＡＦＭ 圖 像 中，原本垂直的樣品結(jié)構(gòu)變成傾斜結(jié) 構(gòu)了，該現(xiàn)象通常在掃描矩形光柵的實(shí)驗(yàn)中最為 明顯。探針與樣品的夾角問題可以通過更換幾何 形狀不同的探針或者調(diào)節(jié)探針與樣品的相對位置 來解決。同時(shí)，系統(tǒng)的漂移將會(huì)導(dǎo)致原本直線形 的樣品結(jié)構(gòu)，其得到的 ＡＦＭ 形貌特征是彎曲的。 該現(xiàn)象可以通過修正 ＡＦＭ 控制軟件中的漂移速 度來解決。如果電路的反饋速度過低將體現(xiàn)在樣 品圖像模糊，即系統(tǒng)反饋太慢；而電路反饋過快則 引起 ＡＦＭ 圖像中的高頻噪音，不會(huì)隨著掃描范 圍變化而變化是它的主要特征。該問題的解決需 要在 ＡＦＭ 控制軟件中，針對不同的樣品，設(shè)置優(yōu) 化合理的電路反饋系數(shù)。

圖１是在研究生物分子自組裝實(shí)驗(yàn)中獲得的 三幅 ＡＦＭ 形貌圖，其中圖 Ａ 中出現(xiàn)了許多“豆芽 形結(jié)構(gòu)”，根據(jù)前面的分析，該豆芽形結(jié)構(gòu)并非樣 品的形貌，而是探針尖端粘附了一個(gè)軟的細(xì)小污 染物，該污染物有可能是一個(gè)或幾個(gè)生物分子。 這種假像的判斷可以通過清洗探針或者換一個(gè)沒 有污染的探針重新掃描樣品來解決。

圖１Ｂ中的樣品形貌原本是一個(gè)圓環(huán)，也 就 是圖中左邊顏色較亮的那個(gè)環(huán)。但觀察發(fā)現(xiàn)，除 了樣品本身的那個(gè)圓 環(huán) 之 外，Ｂ 圖 中 還 有 兩 個(gè) 與 左邊圓環(huán)形狀完全一樣的暗環(huán)。這兩個(gè)暗環(huán)并不 是樣品本身的信息，而是因?yàn)樵谔结樓岸苏掣搅?兩個(gè)軟的長鏈，這兩個(gè)長鏈應(yīng)該是生物分子或者 它們的自組裝結(jié)構(gòu)，暗環(huán)的出現(xiàn)正是這兩個(gè)長鏈 與樣品上圓環(huán)相互作用引起的探針與樣品間作用 力變化，該力 在 數(shù) 值 上 小 于 與 真 正 的 ＡＦＭ 探 針 與樣品間的相互作用力，結(jié)果在形貌圖像中顯示 為暗環(huán)。該暗環(huán)屬于假像，它提醒我們，如果獲得 的樣品形貌中有完全一樣的結(jié)構(gòu)，則需要辨別它 們是不是假像。這也可以通過清洗探針或者換一 個(gè)沒有污染的探針重新掃描樣品來解決。 圖 Ｃ中出現(xiàn)的重復(fù)三角形結(jié)構(gòu)非常典型，這 類假像已經(jīng)被用來做講課材料來用。它是在我們 研究生物分子自組裝的初期顆粒狀結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn) 的，如前面分析，這類重復(fù)的三角形結(jié)構(gòu)并非樣品 的結(jié)構(gòu)，而是我們采用的三角形探針自身的結(jié)構(gòu)。 此時(shí)，生物分子組裝的顆粒還很小，而這根探針則 是用了一段時(shí)間的舊探針，前端比較鈍，其尖端直 徑遠(yuǎn)大于樣品中顆粒的直徑，所以掃描得到的是 探針的形狀，或者說，探針被樣品的小結(jié)構(gòu)掃描成 像了。解決這個(gè)問題的方法是更換新的探針，讓 探針尺度小于樣品的尺度。

圖１ ＡＦＭ 形貌圖

圖１Ａ 為利用被污染的針尖掃描的樣品形貌 圖，其中的豆芽狀結(jié)構(gòu)顯示的是針尖上污染物的 形狀，并非樣品的真實(shí)形貌；圖１Ｂ為多個(gè)針尖掃 描成像得到的樣品形貌圖，其中樣品真實(shí)的形貌 是左邊較亮的那個(gè)環(huán)，右邊較暗的兩個(gè)環(huán)為探針 上粘附的兩個(gè)長鏈與樣品相互作用過程中掃描得 到的形貌圖；圖１Ｃ為探針尖最前端斷掉時(shí)，鈍化 的探針與樣 品 作 用 的 到 的 ＡＦＭ 形 貌 圖，其 中 的 三角形結(jié)構(gòu)并非樣品的形貌，而是針尖的形貌。

 結(jié)  論

本文總結(jié)了 ＡＦＭ 研究產(chǎn)生假像的幾種原因 和它們可能導(dǎo)致的假像結(jié)構(gòu)，并針對實(shí)驗(yàn)中的到 的三 種 假 像，分析了其產(chǎn)生原因和解決的辦法。 為將來的 ＡＦＭ 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。