气/液两用型原子力显微镜及其应用研究

　　1　引　言

　　微纳米技术是近年来崛起的一门崭新技术,它以极高的分辨力为人类揭示了一个可见的微观世界,使人类认识、改造物质世界的手段和能力延伸到原子及分子水平,已成为当今世界活跃的研究热点之一。微纳米技术的兴起和发展,离不开其测量技术与设备。原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)以分辨力高、适用范围广、样品制备简便,以及能够在各种环境(真空、大气或液体等)进行微纳米检测而获得广泛应用[1,2]。

　　AFM大多是在空气或真空条件下操作[3],但对许多样品(如生物样品、化学物质或过程等)而言,保持其液体环境至关重要,液相型AFM由此应运而生。传统的液相型AFM探头结构如图1所示[4],为了避免液体泄漏对扫描器的损坏,往往只在样品表面滴一滴液体,虽然保证了检测部分样品的活性,但是探针及其检测光路极易受到液滴表面张力的影响,同时限制了样品的体积和扫描速率[5]。为此,研制开发了一种能真正工作于液体环境(全液相环境)的AFM系统,具有显著的理论意义和实用价值。文中在自主研发的液相型AFM系统的基础上,对探头结构和扫描反馈电路开展了优化研究,发展了一种气/液两用型AFM系统,并且在大气和液相环境中进行了微纳米扫描检测,得到了理想的结果。

　　2　气/液两用型AFM的设计和优化

　　2.1　两用型AFM探头的结构

　　气/液两用型AFM探头的独特之处在于采用了一块透明的玻璃作为视窗,同时作为探针座,微探针可完全浸没在液体中,在全液相环境下实现样品的扫描检测。这种结构巧妙地消除了气液界面,避免了表面张力和液面抖动对微探针的影响。图2为实用化的气/液两用型AFM探头在全液相环境下的操作示意图。透明的液体池与样品台连为一体,通过进液口和出液口可随时注入、流出不同的化合物溶液,改变样品的液体环境(如浓度、湿度等),同时可根据需要方便地调节液面高度进行表面形态的成像观测。

　　由于决定了探头的横向分辨力和扫描范围,故扫描器的选择非常关键[6, 7]。传统的AFM大多通过控制样品做三维运动以实现探针与样品的相对扫描(见图1),其负载能力限制了样品的大小和重量[8~10]。为了解决该问题,现将管式PZT压电陶瓷固定在探头上,驱动针尖作三维扫描,同时在液体池下搭建高精度XY微动台驱动样品移动,微动台与PZT管同时作用得以实现较大和较重样品的精确扫描,其XY向扫描范围最大可达4000nm×4000nm。该设计不但提高了系统的扫描速度,而且克服了对样品的限制,缩小了探头的体积,使整体结构简单而紧凑。

　　此外,引入了高分辨CCD实时观测系统,用于监控扫描探针的定位以及样品的表面观察,大大地提高了系统的可操作性。激光器经光斑对准后与视窗固定,免去了扫描之前繁复的光路调整步骤。液体池中不注入液体或放掉液体即可在大气条件实现高分辨力、大扫描范围的微纳米检测,无需任何额外的步骤,操作简便实用。