在原子力显微镜使用中假像现象的分析

假像是原子力显微镜（ＡＦＭ）技术研究中的一个热点问题，本文首先分析了 ＡＦＭ 实验中产生假像的常见原因及其可能产生的假像类型，然后以实验中得到的重复“豆芽形结构”、完全一致的重复圆环形貌结构和许多重复的三角形结构的 ＡＦＭ 图 像 为 例，分析了假像产生的原因，为 ＡＦＭ 实 验 结 果分析中假像的辨别处理提供了借鉴经验。

关 键 词：原子力显微镜；假像；纳米技术

原子力显 微 镜（ＡＦＭ）早已成为纳米材料研 究中重要的表征手段，并被广泛应用于物理、化 学、生物、医药等多个领域。ＡＦＭ 获 得 的 样 品 图像是探针与样品间相互作用力的一种表达，为 此，得到的 ＡＦＭ 图像中不但有样品的信息，还有 探针的信息。探 针 的 尺 寸、形 状 等 都 对 ＡＦＭ 实 验结果产生一定的影响，如果想获取横向尺度为 １００ｎｍ 的 微 结 构 形 貌 时，那 么 采 用 尖 端 直 径 为 １０ｎｍ的探 针 时，目 前 研 究 人 员 认 为 是 合 理 的。 即探针相对 样 品 较 小，对 ＡＦＭ 测试的结果影响 可以忽略。如果探针信息对 ＡＦＭ 实验结果影响 比较大时，往往被研究人员称为“假像”。如 何 从 ＡＦＭ 图 像 中 获 取 样 品 信 息，即 降 低 探 针 对 ＡＦＭ 实验结果的影响，或者说辨别 ＡＦＭ 实验结 果中的假像，是 正 确 利 用 ＡＦＭ 对样品进行测试 分析实验中必不可少的一项技能。

ＡＦＭ 实验中产生假像的常见原因分析

  目前人们认为 ＡＦＭ 实验中主要存在的假像 有探针引起的假像、扫描器引起的假像和电路、机 械系统引起的假像。探针引起假像的原因主要是 探针尺寸相对样品结构来说太大，首先会引起探 针对样品尺度的展宽效应，此时得到的球体往 往是扁球体。虽然宽度被探针展宽了，但其高度 信息还是真实的样品信息。其次，探针太宽时，扫 描成像过程中无法到达样品中孔结构的底部，得 到图像中孔的尺度比真实信息要小得多。另外， 实验中经常见到的样品形貌图像一边比另外一边 低的现象，也是因为探针断掉或者别的原因造成 的探针太大，无法测到样品较低一边的信息。如 果实验中看到 ＡＦＭ 图像中有很多重复的三角形 结构图 像 如 图１Ｃ 所 示，这 是 由 于 样 品 尺 寸 远 小 于探针尺寸，导 致 ＡＦＭ 图 像 显 示 的 不 是 样 品 的 信息，而是探针的信息。如果针尖上粘附了一个 软的细小污染物，还经常会得到一些重复的“豆芽 形结构”在 ＡＦＭ 形貌图像中，如图１Ａ 所示。解 决探针太大的问题可以通过挑选合适尺寸的探针 或者利用软件对获得的 ＡＦＭ 图像进行反卷积的 处理。

扫描器引起假像的原因主要是压电陶瓷的磁 滞效应、非 线 性 效 应。ＡＦＭ 仪器中扫描器的执 行部件一般是压电陶瓷，它用于执行 Ｘ、Ｙ 和Ｚ方 向的伸缩命令，达到定位和控制扫描成像的功能。 压电陶瓷的磁滞效应、非线性效应等都会影响到 获取的 ＡＦＭ 图 像。比 如 原 本 尺 寸 均 匀 的 样 品， 得到的 ＡＦＭ 形 貌 左 边 的 尺 寸 小，向 右 则 图 像 尺 寸逐渐增大。要解决扫描器引起的假像，通常需 要利用标准光栅样品对扫描器进行磁滞效应、线 性和非线性校准。

此外，探针和样品的相对角度、ＡＦＭ 仪 器 的 机械漂移、电路反馈等噪音也会影响到获得的 ＡＦＭ 图 像。 探针不垂直样品表面 时获得的ＡＦＭ 图 像 中，原本垂直的样品结构变成倾斜结 构了，该现象通常在扫描矩形光栅的实验中最为 明显。探针与样品的夹角问题可以通过更换几何 形状不同的探针或者调节探针与样品的相对位置 来解决。同时，系统的漂移将会导致原本直线形 的样品结构，其得到的 ＡＦＭ 形貌特征是弯曲的。 该现象可以通过修正 ＡＦＭ 控制软件中的漂移速 度来解决。如果电路的反馈速度过低将体现在样 品图像模糊，即系统反馈太慢；而电路反馈过快则 引起 ＡＦＭ 图像中的高频噪音，不会随着扫描范 围变化而变化是它的主要特征。该问题的解决需 要在 ＡＦＭ 控制软件中，针对不同的样品，设置优 化合理的电路反馈系数。

图１是在研究生物分子自组装实验中获得的 三幅 ＡＦＭ 形貌图，其中图 Ａ 中出现了许多“豆芽 形结构”，根据前面的分析，该豆芽形结构并非样 品的形貌，而是探针尖端粘附了一个软的细小污 染物，该污染物有可能是一个或几个生物分子。 这种假像的判断可以通过清洗探针或者换一个没 有污染的探针重新扫描样品来解决。

图１Ｂ中的样品形貌原本是一个圆环，也 就 是图中左边颜色较亮的那个环。但观察发现，除 了样品本身的那个圆 环 之 外，Ｂ 图 中 还 有 两 个 与 左边圆环形状完全一样的暗环。这两个暗环并不 是样品本身的信息，而是因为在探针前端粘附了 两个软的长链，这两个长链应该是生物分子或者 它们的自组装结构，暗环的出现正是这两个长链 与样品上圆环相互作用引起的探针与样品间作用 力变化，该力 在 数 值 上 小 于 与 真 正 的 ＡＦＭ 探 针 与样品间的相互作用力，结果在形貌图像中显示 为暗环。该暗环属于假像，它提醒我们，如果获得 的样品形貌中有完全一样的结构，则需要辨别它 们是不是假像。这也可以通过清洗探针或者换一 个没有污染的探针重新扫描样品来解决。 图 Ｃ中出现的重复三角形结构非常典型，这 类假像已经被用来做讲课材料来用。它是在我们 研究生物分子自组装的初期颗粒状结构时发现 的，如前面分析，这类重复的三角形结构并非样品 的结构，而是我们采用的三角形探针自身的结构。 此时，生物分子组装的颗粒还很小，而这根探针则 是用了一段时间的旧探针，前端比较钝，其尖端直 径远大于样品中颗粒的直径，所以扫描得到的是 探针的形状，或者说，探针被样品的小结构扫描成 像了。解决这个问题的方法是更换新的探针，让 探针尺度小于样品的尺度。

图１ ＡＦＭ 形貌图

图１Ａ 为利用被污染的针尖扫描的样品形貌 图，其中的豆芽状结构显示的是针尖上污染物的 形状，并非样品的真实形貌；图１Ｂ为多个针尖扫 描成像得到的样品形貌图，其中样品真实的形貌 是左边较亮的那个环，右边较暗的两个环为探针 上粘附的两个长链与样品相互作用过程中扫描得 到的形貌图；图１Ｃ为探针尖最前端断掉时，钝化 的探针与样 品 作 用 的 到 的 ＡＦＭ 形 貌 图，其 中 的 三角形结构并非样品的形貌，而是针尖的形貌。

 结  论

本文总结了 ＡＦＭ 研究产生假像的几种原因 和它们可能导致的假像结构，并针对实验中的到 的三 种 假 像，分析了其产生原因和解决的办法。 为将来的 ＡＦＭ 实验数据分析提供了借鉴经验。