利用原子力显微镜进行表面形貌成像

材料的表面形貌可提供有关其机械和化学特性的信息，这些信息对确定材料的适用性至关重要。原子力显微镜 (AFM) 是一种强大的分析技术，通常用于研究大多数材料的表面形貌。本文概述了原子力显微镜及其在表面形貌成像中的应用。

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表面形貌成像的重要性
表面形貌是材料表面与完全平坦平面的偏差。材料表面的形貌会极大地影响其整体特性。虽然表面不规则现象发生在纳米级水平，但其影响可以通过宏观测量观察到。表面形貌的表征已成为材料科学、摩擦学和其他相关领域的关键。

测量表面形貌有两种方法：

接触法，即在表面上拖动测量测针或轮廓仪。
使用反馈机制控制 Z 扫描仪运动的非接触式方法。
原子力显微镜及其组件
原子力显微镜是一种坚固耐用的扫描探针显微镜，有助于对材料表面进行三维（3D）空间分辨率成像。它有助于确定样品的尺寸、物理特性、磁性和表面。此外，它们还有助于在纳米级水平操纵物质，使其适用于实际应用。

原子力显微镜形貌图像可提供有关材料表面形态的大量信息，例如生长和成核模式、突出缺陷以及区分晶体和非晶相。

原子力显微镜仪器的组成部分如下：

扫描探针： 扫描探针由一个微米级的悬臂组成，悬臂有固定端和自由端。悬臂的自由端连接到纳米级的针尖上。悬臂可作为柔性梁，帮助探针自由移动。

探针的特性，如尺寸和材料，决定了其性能特征，包括分辨率、硬度、柔韧性和化学敏感性。因此，选择合适的探头对表面形貌成像至关重要。

传感器： 机电传感器可促进原子力显微镜悬臂的机械运动。传感器由压电陶瓷材料组成，在电场作用下，其几何形状会发生变化。因此，运动方向和运动量受压电材料类型的影响。
力传感器： 这些传感器有助于测量被成像材料表面与探头（连接到悬臂上）之间的作用力。一般来说，力传感器利用的是外加力与悬臂运动之间的关系，即 F = - K*d，其中 K 是一个常数，随悬臂的材料类型和尺寸而变化。
原子力显微镜的工作原理
使用原子力显微镜是通过悬臂上的探针扫描材料来生成材料的三维图像。最初的过程是表面感应，材料表面之间的作用力会使探针更接近材料。然而，一旦探针接触到表面，就会被斥力排斥。

随后，通过照射在悬臂顶部的激光的移动来完成探测。随着悬臂的移动，激光的方向也随之改变，并通过位置敏感光电二极管（PSPD）记录下来。

最后，为了对表面进行成像，悬臂在样品凹凸不平的表面上扫描，导致激光偏转。跟踪偏转并调整尖端高度（以保持激光的位置）有助于获得样品表面的三维地图。

原子力显微镜的局限性
原子力显微镜生成的图像受到探针材料的限制。如果样品表面的突起比针尖的突起窄，生成的图像就不准确。
与扫描电子显微镜（SEM）相比，原子力显微镜在成像方面有很大的劣势。扫描电子显微镜的成像面积和景深可达到毫米级，而原子力显微镜的成像深度只能达到微米级，最大成像面积为 150 × 150 微米。
最新研究
分析快报》上发表的一篇文章报道了使用原子力显微镜表征含牛血清白蛋白（BSA）的磷酸盐缓冲盐水（PBS）中的钛-3-铜合金的表面形貌和表面粗糙度。

原子力显微镜成像显示血清蛋白在 Ti-3Cu 合金的半导体氧化物层中积聚，这表明供体位点的减少是由于通过化学吸附重构了氧化物膜，而这又是由使用原子力显微镜的纳米粗糙度的大小变化决定的。

另一篇发表在《Life》上的文章利用原子力显微镜研究了表面形貌对粪肠球菌在古塔波卡（GP）锥体和塑化古塔波卡圆盘上初始粘附的影响。结果显示，GP 表面的粗糙度和波纹导致更多的污染，这表明对 GP 进行塑化可减少表面的不规则性，从而减少细菌的滞留。

结论
总之，原子力显微镜是一种高分辨率测量多种材料表面形貌的可靠方法。与其他显微镜方法相比，原子力显微镜操作简便，无需样品制备，是一种更可靠的方法。

参考资料

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作者：Bhavna Kaveti