摘要： 为了进一步认识原子力显微镜（AFM）实验中针尖与样品之间的作用力，测试了针尖与样品中的力-距离曲线，分析了针尖与样品之间在不同距离时的相互作用，拓展了AFM实验功能。
Abstract: In order to investigate the force between the tip atoms and the sample surface, the force-distance curves were measured and the interaction between the tip and the sample surface with different distance was analyzed. The functions of AFM experiments were exploited.
关键词： 原子力显微镜；力-距离曲线；粘着引力；粘着斥力
Key words: AFM；force-distance curve；adhesion attractive force；adhesion repulsive force
中图分类号：TH742 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）２8-0305-02
0 引言
原子力显微镜（AFM）原理是利用微悬臂探针针尖与样品表面之间的相互作用力观察样品表面形貌。它不仅可获得原子级别的高分辨力的图像，而且可以利用样品与探针之间的作用力来获得样品的粘弹性、硬度及磁性等方面的信息，因此AFM得到越来越广泛的应用[1]。在AFM实验中，大多只注重利用AFM观测样品表面形貌，而对针尖与样品之间的作用力未做深入研究，使得AFM实验只停留在较低的阶段，为了拓展AFM实验，对针尖与样品之间的作用有必要做进一步研究。而且在AFM实验中测出的力并不是针尖原子与样品原子之间的实际的作用力，而是微悬臂的弹性力，微悬臂弯曲是受针尖与样品表面之间复杂的作用力影响的，这些作用力受多重因素的影响，如探针微悬臂材料、针尖大小、样品的性质及测量环境等[2]。本文通过测得AFM力-距离曲线探讨在AFM实验中样品表面与针尖的相互作用。
1 实验过程
采用上海纳米爱建公司生产的AJ-Ⅱ型原子力显微镜，使用氮化硅探针，微悬臂长440μm，力常数0.2N/m，针尖曲率半径约10nm。本实验中用于探针力-距离曲线的材料是普通的天然云母片。利用接触模式进行探针力-距离曲线的测量，选择点测量模式。
2 结果分析
图1是测得的云母片在气相条件下的探针力-距离曲线。图中的箭头代表探针的进针方向和退针方向。图1中的1-4-2-3段为探针进针过程中的力-距离曲线，其中1-4段为针尖逐渐向样品靠近时，样品与针尖无接触时的力-距离曲线，为一水平直线，此时针尖和样品之间的作用力几乎为零。但当针尖与样品之间的距离为十几纳米时，由于微悬臂受到样品表面的吸引力而朝下微小弯曲，在力-距离曲线上为一小段斜线（由于变化很小，在图上无法显现）。4-2段为针尖与样品距离值不变的情况下，作用力突然变大，针尖和样品表面接触，称为“突跳接触”，样品与针尖的作用力仍为吸引力。此后，样品与针尖一同向微悬臂固定位置的方向移动，位移值减小，微悬臂弯曲的偏移量也减小，从而测得的吸附引力也在减小，到C点时作用力F=0，微悬臂无弯曲。若样品继续沿Z轴向上运动，微悬臂将向上弯曲，F值变为斥力，但针尖与样品仍然接触。图1中4-3段为探针退针时的力-距离曲线，当进针到达预定设置点后，扫描器反转，F值逐渐减小，到达5点后，当微悬臂的弹性力大于探针针尖与样品表面的粘附力时，针尖突然跳离样品表面，称为“突跳分离”，此时对应的力为样品的粘附力。
3 结果讨论
图1的实验结果中的样品表面与针尖的力-距离曲线比理论上的原子与原子之间的力-距离曲线要复杂的多。实际上在实验中测得的针尖与样品表面的作用力是微悬臂的弹性力，它遵循Hooke定律：F=-KcδC（Kc微悬臂的弹性常数，δC为微悬臂的偏移量）。值得注意的是，在AFM探针针尖的吸引作用下样品表面会被拉伸，即引起一个微小的变形量，因此我们测得的距离也并不是针尖与样品之间的实际距离，如图2所示，它们之间有如下关系：D=Z-（δc+δs），式中，Z为样品与微悬臂固定位置之间的位移；D为样品针尖之间的实际距离。除此之外，针尖与样品表面之间的作用力为宏观的表面与表面之间的作用。表面与表面之间的作用力远比单纯的原子与原子之间的作用要复杂的多。表面与表面之间的作用力包括原子间的作用力、分子间作用力、静电力及表面张力等[3]。这些力可能在不同的距离范围内起作用，也可能在相同距离范围内产生叠加作用。为了便于说明AFM实验力的变化过程，把这些复杂的力称为粘滞力。当针尖与样品的间距较大时，粘着力表现为引力，随着间距的逐步减小，粘着引力逐步增大。随着间距进一步减小，样品表面迅速跳向AFM针尖，此时粘着引力迅速增大。样品与针尖接触，进入接触区，在理论上针尖与样品之间的作用力应该为斥力，但在实际的力-距离曲线上仍然为引力，这是因为针尖与样品表面的接触为表面与表面之间的接触，假定针尖为圆锥形，与样品表面直接接触的部分表现为粘着斥力，与样品表面很近的但未接触的部分表现为粘着引力。在“突跳接触”后，样品表面与AFM针尖的间距迅速减小，接触区外的粘着引力的增加速度远大于粘着斥力的增加速度，所以在“突跳接触”过程中，总的效果为粘着引力。随着针尖进一步压入样品表面，出现了接触区内的粘着斥力和接触区外粘着引力的竞争，当粘着斥力的增大速度大于接触区外的引力的增大速度时，表现为粘着斥力，总的斥力曲线上升。
图1中出现了两次“突跳”现象，分别为进针过程中的“突跳接触”和退针过程中的“突跳分离”。“突跳接触”的原因不同研究者有不同的结论，一般结论认为此现象是由静电效应及毛细作用引起的。但在液体环境中这种突跳现象仍然存在，而在液体环境下毛细作用是不存在的[4]，说明“突跳接触”中毛细作用是主要导致突跳现象产生的原因这一结论值得商榷。我们认为“突跳接触”现象的主要原因主要是样品表面在粘着引力的作用下的拉伸变形引起的，只要针尖与样品存在着粘着引力，样品表面必然会产生拉伸变形，所以“突跳接触“是难以避免的。有研究者通过增加微悬臂长度的方法来消除突跳现象，但是只是降低了突跳时的吸引力。所以”突跳接触”是一个复杂的现象，需要进一步研究。而“突跳分离”现象是由于微悬臂的弹性力大于针尖与样品之间的粘着力引起的。
比较图1中进针和退针的力-距离曲线发现两者之间并不重合，说明在针尖在接触区内力的作用机制不同。在进针过程中，接触区内针尖压入样品表面，为力的加载过程，而且在此过程中，在粘着引力作用下引起样品表面拉伸变形。但在退针开始阶段，接触区为卸载过程，表面拉伸部分逐渐恢复，但是样品并不是完全弹性体，不能完全恢复，所以在同一距离处，卸载时的斥力总比加载时的斥力大。另一方面，在接触过程中，样品变形部分紧裹在针尖周围，使样品接触区增大，使得在退针和进针过程中受的作用力明显不同。由于以上的原因，使得“突跳接触”力小于“突跳分离”力。
此外靠近力-距离曲线的末端点与后退线的起始点不重合，这是由于扫描器由加载过程转为为卸载过程时的位移差造成的。
总之，针尖与样品之间的作用力受到多重因素的影响，分析起来显得比较复杂。而且在理论上，针尖与样品之间作用力模型也正在研究中，其中众多的机理仍需进一步研究。
本实验通过测试AFM实验中的力-距离曲线和分析针尖与样品之间的相互作用，使学生对针尖与样品之间的相互作用获得清晰的认识，有助于对AFM实验原理的理解，拓展了AFM实验功能。
参考文献：
[1] C. Argento, R.H. Fench. Parameteric tip model and force distance relation for haymaker constant determination from atomic force microscopy.[J]. J. Appl. Phys, 1996, 80，（11）:6081-6091.
[2] B. Cappella, G. Dietler. Force-distance curves by atomic force microscopy [J]. Surface Science Reports ,1999,34：1-104.
[3]马全红，赵冰，张征林，朱争鸣.原子力显微镜中探针与样品间作用力及AFM的应用[J].大学化学，2000，10，（5）:33-36.
[4]张天彪，党国全，关一夫.原子力显微镜在液相条件下的成像分析[J].电子显微学报，2008，27，（5）：395-399.