原子力顯微鏡(一)
原子力顯微鏡 (Atomic Force Micricopy, AFM)(一)
國立彰化師範大學物理所陳建淼研究生/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯
A. 原子力顯微鏡介紹
藉由AFM人們將第一次直觀地看到了原子、分子,被人們稱為可以看得見原子的顯微鏡。利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細探針與受測樣品原子之間的作用力,從而達到檢測的目的,具有原子級的解析度。
在1982年兩位科學家Binning和Rohrer利用隧道電流效應發明了掃描穿遂式顯微鏡(STM) ,為首次觀察到原子、分子,只不過在處理STM的試片樣品上有所限制,對於非導電物品不適用。1985年Binning和Gerber、Quate共同發明了 AFM,利用原子間的凡得瓦力,待測樣品不須導電性也可以測量,讓量測的可用範圍更為廣泛,對於樣本表面現象的研究也更加的深入。
AFM原子力顯微鏡與STM掃描式穿隧式顯微鏡最大的差別在於並非利用電子量子穿隧效應,而是利用原子之間的凡得瓦力作用來呈現樣品的表面特性。這當中的原理是感測原子之間的凡得瓦力作用來進一步呈現樣本的表面特性,可以由圖1得知:
當原子與原子很接近時,彼此電子雲斥力的作用大於原子核與電子雲之間的吸引力作用,所以整個淨力表現為斥力的作用,反之若兩原子分開有一定距離時,彼此之間電子雲斥力的作用小於彼此原子核與電子雲之間的吸引力作用。可以由圖一看出:
圖1 原子位能圖
AFM的探針與樣品表面的作用力可以控制在非常微小的量,約在10-6-10-10 N之範圍,因此AFM的解析度可達原子尺寸。由於AFM具有原子級的解析度,是各種薄膜粗糙度( roughness)檢測及微觀表面結構研究的重要工具,也適合與STEM搭配成為從nm至A。
在應用上分為下列四點優勢:
1. AFM技術的樣品製備簡單,無需對樣品進行特殊處理,如鍍銅或碳,這種處理對樣品會造成不可逆轉的傷害因此,其破壞性較其它生物學常用技術(如電子顯微鏡)要小得多。
2.AFM能在多種環境(包括空氣、液體和)中運作,不必像電子顯微鏡必須運行在高真空條件下,生物分子可在生理條件下直接成像,也可對活細胞進行時動態觀察。
3. 不同於電子顯微鏡只能提供二維圖像,AFM能提供生物分子和生物表面的分子分辨率的三維圖像。
4.AFM以奈米尺度的分辨率觀察局部的電荷密度和物理特性,測量分子間的相互作用力。
而在缺點上,比較於同樣表面掃描的掃描式電子顯微鏡(SEM),AFM的缺點在於成像範圍小、速度慢、而且探頭容易損傷,須常常置換。
B. 原子力顯微鏡量測
在AFM的系統中,是感測微小探針與待測物之間交互作用力如圖2,來呈現待測物的表面之物理特性。由於AFM具有原子級的解析度其基本架構如圖3。
AFM的微小探針通常是黏附在懸臂式的彈簧片上,當探針尖端與樣品表面接近時,因力場而產生作用力,造成懸臂簧片的微小偏折,此簧片的彈性變形量,可以利用簧片後方的STM探針所測得,也可以利用電容感應法、光學偵測法來感測。
AFM之量測模式依據探針與樣本間的距離可分為三種操作模式:接觸式、非接觸式與敲擊式。
(1)接觸式(contact mode):
利用針尖的原子與樣本表面原子之間排斥力的變化而產生表面輪廓的方式稱為接觸式,其互斥能的大小主要與原子間距倒數的十二次方成正比,當探針與試片的距離約為數個A時(一般為3 A),兩原子的電子雲會有互斥現象其原子間的排斥力約為10-6至10-10 N,由於接觸面積極小且近,因此過大的作用力可能會造成樣品表面損壞,尤其是軟性材質,因此在掃描生物樣品時或軟性材質,必須特別注意力的大小對樣本表面的影響。不過因為是接觸性的緣故,不僅僅樣品表面受損傷、探針也容易受損壞。
(2)非接觸式(non-contact mode):
利用針尖的原子與樣本表面原子之間吸引力的變化而產生表面輪廓的方式稱為非接觸式,其吸引力的大小主要與原子間距倒數的六次方成正比。非接觸式是利用原子間長距離吸引力-凡得瓦爾力對距離的變化非常小,針和樣品表面的距離為數十到數百A,由於探針和樣品沒有接觸,所以樣品不易被損壞,但由於探針和樣品並未接觸,因此非接觸模式的呈像之空間解析度較差,為其缺點。
(3)半接觸式:
有一種介於contact mode與non-contact mode 的操作模式稱做半接觸式(semi-contact mode)或是敲擊模式(tapping mode)。因接觸式探針一定要接觸待測物表面,探針下壓力量必須調整適當,否則會有掃描方向之破壞產生。半接觸式是改良非接觸式與接觸式,其原理是讓懸臂上下擺動並輕拍於物體表面,藉由振幅的改變而成像,其作用力同時受到吸引力及排斥力的交互作用。解析度介於接觸式與非接觸式間,且不受橫向力的干擾,且減少表面吸附現象。其操作模式適用於表面較軟的材料或是液樣中掃描的樣本可以降低水層的干擾或是毛細現象的產生。