关注:

1) 原子力显微镜的分类：真空vs常压

2) 原子力显微镜与STM的区别与联系

Thanks  to Bingkai Yuan

http://material.ujs.edu.cn/xwzx-view.asp?articleid=364

       袁炳凯，国家纳米科学中心博士，研究专长：扫描探针显微镜。

       在超高真空和低温条件下，

      利用FM-AFM在实空间研究分子自组装中分子共价键骨架和分子间氢键的形成机制；

       利用FM-AFM研究金属和绝缘薄膜上单分子结构/电子性质。

       部分结果发表在Science， Chin. Sci. Bull等SCI收录的期刊上，申请中国专利2项，其中第一发明人1项。学术专著一项，《纳米科技创新方法研究》第四章 “单分子和单粒子检测技术”，科学出版社出版。

　　主讲内容：近年来, 得益于qPlus 传感器的引入,非接触原子力显微技术（NC-AFM）的空间分辨取得了极大地提高, 能够得到单个分子内的原子分辨甚至可以区分共价键键级.

        NC-AFM的衍生技术——开尔文探针力显微技术(KPFM) 已经实现了原子尺度的表面电势甚至分子内电荷分布的测量.

       NC-AFM已经成为纳米科技领域的重要研究工具. 氢键是自然界中最重要的分子间相互作用形式之一。我们利用NC-AFM在实空间观察到8-hydroxyquiline分子组装和鸟嘌呤手性氢键组装中清晰的氢键图像。基于原子分辨的分子结构成像，氢键网络的特征如键长，键角等得以确定。在鸟嘌呤手性氢键组装中，鸟嘌呤是N7(H)互变异构，每个分子与最近邻的三个分子形成8个氢键。

Real-Space Identification of Intermolecular Bonding with Atomic Force Microscopy

1. Zhang, J; Chen, PC; Yuan, BK; Ji, W*; Cheng, ZH*; Qiu, XH*, Real-Space Identification of Intermolecular Bonding with Atomic Force Microscopy, Science, 2013, 342(6158), 611-614

Real-Space Identification of Intermolecular Bonding with Atomic Force Microscopy

http://www.sciencemag.org/content/342/6158/611

Jun Zhang1,*, Pengcheng Chen1,*, Bingkai Yuan1, Wei Ji2,†, Zhihai Cheng1,†, Xiaohui Qiu1,†

1Key Laboratory of Standardization and Measurement for Nanotechnology, Chinese Academy of Sciences, National Center for Nanoscience and Technology, Beijing 100190, China.
2Department of Physics, Renmin University of China, Beijing 100872, China.

†Corresponding author. E-mail: xhqiu@nanoctr.cn (X.Q.); chengzh@nanoctr.cn (Z.C.); wji@ruc.edu.cn (W.J.)

* These authors contributed equally to this work.

DOI:10.1126/science.1242603    Publication Date: Published Online September 26 2013

Abstract:

We report a real-space visualization of the formation of hydrogen bonding in 8-hydroxyquiline (8-hq) molecular assemblies on a Cu(111) substrate using noncontact atomic force microscopy (NC-AFM). The atomically resolved molecular structures enable a precise determination of the characteristics of hydrogen bonding networks, including the bonding sites, orientations, and lengths. The observation of bond contrast was interpreted by ab initio density functional calculations, which indicated the electron density contribution from the hybridized electronic state of the hydrogen bond. Intermolecular coordination between the dehydrogenated 8-hq and Cu adatoms was also revealed by the submolecular resolution AFM characterization. The direct identification of local bonding configurations by NC-AFM would facilitate detailed investigations of intermolecular interactions in complex molecules with multiple active sites.

第一次，“看见”氢键！

http://www.stuln.com/kejizhiguang/kejiqianyan/2013-12-09/Article_110756.shtml

 探寻微观世界的奥秘——氢键

   人类对微观世界的探索是永恒的话题，但在显微镜发明之前，人类对周围世界的观念，仅仅局限在用肉眼或手持透镜帮助肉眼所看到的东西。显微镜的出现，把一个全新的世界展现在人类的视野里，人类终于得以突破人眼极限，观察到物质的微观构成，甚至可以按照人类的意愿操作细胞。1931年，恩斯特·鲁斯卡成功研制了世界上第一台电子显微镜，人类科技进步发生了又一场意义深远的革命，在纳米尺度对原子分子进行直接观测与表征成为了现实。从此，人类迈入了纳米时代。

   随着科技进步日新月异，人类对微观世界的观测能力也在与日俱增。1981年，IBM苏黎世实验室的科学家Binnig和Rohrerl利用针尖与样品间的隧道效应成功研制了扫描隧道显微镜（STM），人类第一次真正“看见”了原子。

图1 扫描探针显微镜示意图

  STM具有纳米级分辨率，可以得到原子分辨图像和分子电子态、振动态以及自旋电子的相关信息。同时，STM还可以在纳米尺度操作原子。但是，STM依靠隧道电流工作，要求样品具有导电性，这就限制了它的应用范围。

   1986年，Binnig、Quate和Gerber利用针尖与样品之间的相互作用力作为探测样品表面性质的信号，发明了世界上第一台原子力显微镜（AFM）。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。与STM相比，AFM不需要样品导电，因而可以用于研究更为广泛的材料体系。

     在AFM各种工作模式中，超高真空低温非接触式原子力显微镜（NC—AFM）具有最高的空间分辨率。

   非接触式原子力显微镜，顾名思义，就是探针不直接与样品接触，研究人员使振动的探针靠近样品，当靠近到一定距离时，针尖原子与样品原子的泡利排斥力将使探针的振动频率发生偏移。

    通过检测探针的振动频率，就可以反映针尖原子与样品原子的相互作用力。样品中电子云密度越大的地方相互作用力就越大，在扫描得到的图像中信号就越强、越清晰。2009年，人类通过原子力显微镜（AFM），又进一步“看见”了分子和分子内化学键的形貌，从而将人类对微观世界的探测能力大大推进了一步。

   作为中国纳米科学技术的最高研究机构，国家纳米科学中心在微观探测领域也取得了历史性成就。国家纳米科学中心裘晓辉研究员、程志海副研究员领导的纳米表征与测量研究团队与中国人民大学物理系季威副教授领导的理论计算小组合作，利用原子力显微镜技术在实空间观测到分子间氢键和配位键相互作用，在国际上首次实现了对分子间局域作用的直接成像。相关论文《原子力显微镜实空间观测分子间相互作用》（Real-Space Identification of Intermolecular Bonding with Atomic Force Microscopy）发表在2013年11月1日的《科学》（Science）杂志上。这项成就极大提升了中国科学家在国际学界的影响和地位，受到了各方面的广泛关注。

   氢键是自然界中最重要的分子间相互作用形式之一，是一种典型的非共价键，虽然氢键的强度相对于共价键非常弱，但是对物质的性质有着至关重要的影响。在自然界，这种作用力是普遍存在的。比如，DNA的双螺旋结构需要靠氢键固定，氨基酸形成完整的蛋白质结构也需要氢键的参与，冰之所以能浮于水面保护海水不冻结同样是因为氢键的存在。从某种意义上讲，氢键是地球上生命得以延续的关键。长久以来，科学界普遍认为氢键是一种弱静电相互作用，然而近年来有实验证据显示，氢键似乎有类似共价键的特性，即形成氢键的原子间也存在微弱的电子云共享。

图2 水和冰中的氢键

   2011年，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）推荐了氢键的新定义，但科技界对氢键作用本质这一问题的研究还远没有结束。

      对氢键特性的精确实验测量，如作用位点、键角、键长、以及单个氢键强度，不仅有助于阐明氢键的本质，尤为重要的是在原子/分子尺度上关于物质结构和性质的信息，对于功能材料及药物分子的设计更有着特殊意义。

   在这个领域，国家纳米科学中心的科学家迈出了重要的一步——利用非接触原子力显微镜（NC—AFM），在世界上首次得到了8-羟基喹啉分子间氢键的实空间图像。科学家利用针尖最尖端原子的电子云作为探针，利用量子力学中泡利不相容原理所产生的非常局域的排斥力，得到了单个分子内的原子分辨甚至分子间作用力—氢键的图像。

图3 铜晶体表面8-羟基喹啉分子

   原子力显微镜的成功运用和氢键的实空间成像，为科学家探索微观世界创造了更多可能性——搞清楚氢键的成像机制，可以帮助我们充分理解氢键的本质，进而为控制氢键、改变化学反应和分子聚集体的结构奠定基础。在此基础上，如果我们可以影响或控制水、DNA和蛋白质的结构，就有可能改变整个生命体和我们生存的环境。

   此次成像用到的非接触原子力显微镜，是研究团队花了两年多时间，将一台原有扫描探针显微镜进行升级改造后得到的。研究团队不仅大大降低了机械噪音和电子学噪音，还利用自己的一项专利技术，制作了性能优良的原子力传感器，使探针的振动幅度降低到一个埃（10-10米，小于化学键键长）的程度，极大提高了现有设备的稳定性和信噪比。

图4 原子力传感器

   在超高真空和低温条件下，研究团队通过精确探测原子力探针与分子化学键的电子云之间的泡力排斥力作用，获得了吸附在铜晶体表面的8-羟基喹啉分子的共价键化学骨架、分子间氢键、以及分子与金属原子配位键的高分辨空间图像，据此精确解析了分子间氢键的构型，实现了对氢键键角和键长的直接测量。国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的氢键名词定义负责人
E·Arunan博士，为此特别撰文对此项工作进行了推介，认为这将大大深化科学界对氢键本质的认识，为进一步实现氢键的人工控制提供基础，具有极其重要的科学意义和实用价值。

   实践发展永无止境，人类对微观世界的探索也永无止境。目前，非接触原子力显微镜这项技术还只能应用在超低温和高真空环境下。国家纳米科学中心的研究人员希望，用几年甚至更长时间，将这项技术发展推广到在自然环境下应用，成为各行业科学家日常研究的手段。

      也许有一天，流体动力学家可以通过非接触原子力显微镜直接观察气泡表面的微观活动，化学家合成新分子时可以不必再费力地分离、提纯、检测，而是只须将样品放在探针“镜头”下，就能直接看到分子的结构。可以预见的是，人类对微观世界的探索，将是一个充满艰难曲折的过程，但具有光明的前景和美好的未来。

网络摘录：

wikipedia

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8E%9F%E5%AD%90%E5%8A%9B%E6%98%BE%E5%BE%AE%E9%95%9C

原子力显微镜的原理示意

图： Detector and Feedback Electronics 侦检器及回馈电路； Photodiode 感光二极体； Laser 雷射； Sample Surface 样品表面； Cantilever & Tip 微悬臂及探针； PZT Scanner 压电扫描器

     AFM的关键组成部分是一个头上带有一个用来扫描样品表面的尖细探针的微观悬臂。这种悬臂大小在数十至数百微米，通常由硅或者氮化硅构成，其上载有探针，探针之尖端的曲率半径则在纳米量级。

     当探针被放置到样品表面附近的地方时，悬臂上的探针头会因为受到样品表面的力而遵从胡克定律弯曲偏移。在不同的情况下，这种被AFM测量到的力可能是机械接触力、范德华力、毛吸力、化学键、取向力、静电力、磁力（见磁力显微镜）卡西米尔效应力、溶剂力等等。

     通常，偏移会由射在微悬臂上的激光束反射至光敏二极管阵列而测量到，较薄之悬臂表面常镀上反光材质（ 如铝）以增强其反射。

     其他方法还包括光学干涉法、电容法和压电效应法。这些探头通常由采用压电效应的变形测量器而制得。通过惠斯登电桥，探头的形变可以被测得，不过这种方法没有激光反射法或干涉法灵敏。

      当在恒定高度扫描时，探头很有可能撞到表面的造成损伤。所以通常会通过反馈系统来维持探头与样品片表面的高度恒定。传统上，样品被放在压电管上并可以在z方向上移动以保持与探头之间的恒定距离，在x、y方向上移动来实现扫描。或者采用一种“三脚架”技术，在三个方向上实现扫描，这种方法部分抑制了压电管扫描时所产生的扭曲效应。在较新的设计中，探针被装载在垂直压电扫描器上，而样品则用另外的压电结来扫描X和Y方向。扫描的结果z = f(x,y)就是样品的形貌图。

        AFM可以在不同模式下运行。这些模式可以被分为静态模式（Static Mode，也称接触模式，Contact Mode），或其他一系列动态模式（Dynamic Mode，如非接触模式（Non-Contact Mode）、轻敲模式(Tapping Mode)、侧向力(Lateral Force Mode)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。

    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。

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。^[2]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。

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）^[3]

     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）。^[4]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。^[5]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]

      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。

网摘解读：

超高真空原子力显微镜系统、除振台

http://www.oxford-instruments.cn/products/scanning-probe-microscopy/low-temperature-spm/low-temperature-spm

低温超高真空扫描隧道显微镜和原子力显微镜

MULTIPROBE 低温超高真空系统专为Omicron NanoScience低温STM产品而设计，共有三种标准配置型号——S，XP和XA。

    客户可根据自己的预算和需求选择不同型号的超高真空系统。LT-S属于简约型号：含有一个低温STM主腔体和一个操作方便的快速进样腔体。

     LT-XP属于升级型号：在STM主腔体和快速进样腔体之间加入了样品制备腔体，可对样品进行除气、Ar⁺溅射表面刻蚀和超高真空退火等操作，此外腔体还为LEED和蒸发源等预留了法兰接口。

     LT-XA是功能最强大的型号：在在STM主腔体和快速进样腔体之间加入了样品制备腔体，具有LT-XP所有功能之外，还为电子能量分析仪预留了法兰接口。

    Omicron NanoScience的低温STM在室温和低温下均可实现样品和探针的快速转移（< 30秒），这得益于其具有独特设计的真空机械手。Omicron NanoScience的低温超高真空STM性能稳定、操作简易、功能强大，是许多表面科学研究实验室的首选。

• 工作温度低于5 K

• 极低的温漂和超高的稳定性

• 强大的STM/STS/IETS功能

• 世界领先的QPlus AFM技术

• 一定范围的变温实验

• CCD辅助的三维粗定位

• 快速降温

• 快速、安全的样品和针尖更换

      极低温超高真空扫描隧道显微镜（STM）和扫描力显微镜（SFM）系统专为利用³He和⁴He制冷的强磁场（最高可达12T）SPM实验而设计。

         系统配备几乎能够实现所有AFM功能的极低温SFM或者配备极其稳定同时具有超强采谱和原子操纵功能的极低温STM。

        采用⁴He泵浦设计的低温恒温器使得SPM的工作温度涵盖2.5 K ~ 300 K的广泛区域。采用3He的话，最低温度可达500 mK。

• 扫描隧道显微镜和扫描隧道谱

• 自旋极化的扫描隧道显微镜和扫描隧道谱

• 非弹性隧穿谱

• 扫描力显微镜和力曲线

• 磁力显微镜/磁交换力显微镜

• 静电力显微镜/Kelvin探测

• 原子操纵

• 宽广的变温区域

• 可变磁场（单轴、二维或者三维磁场可选）

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）利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力，从而达到检测的目的，具有原子级的分辨率。

      由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不足。原子力显微镜是由IBM公司苏黎世研究中心的格尔德·宾宁与斯坦福大学的Calvin Quate于一九八五年所发明的，其目的是为了使非导体也可以采用类似扫描探针显微镜（SPM）的观测方法。原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）最大的差别在于并非利用电子隧穿效应，而是检测原子之间的接触，原子键合，范德瓦耳斯力或卡西米尔效应等来呈现样品的表面特性。

     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。

    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