假像是原子力顯微鏡（ＡＦＭ）技術研究中的一個熱點問題，本文首先分析了 ＡＦＭ 實驗中產生假像的常見原因及其可能產生的假像類型，然后以實驗中得到的重復“豆芽形結構”、完全一致的重復圓環形貌結構和許多重復的三角形結構的 ＡＦＭ 圖 像 為 例，分析了假像產生的原因，為 ＡＦＭ 實 驗 結 果分析中假像的辨別處理提供了借鑒經驗。

關 鍵 詞：原子力顯微鏡；假像；納米技術

原子力顯 微 鏡（ＡＦＭ）早已成為納米材料研 究中重要的表征手段，并被廣泛應用于物理、化 學、生物、醫藥等多個領域。ＡＦＭ 獲 得 的 樣 品 圖像是探針與樣品間相互作用力的一種表達，為 此，得到的 ＡＦＭ 圖像中不但有樣品的信息，還有 探針的信息。探 針 的 尺 寸、形 狀 等 都 對 ＡＦＭ 實 驗結果產生一定的影響，如果想獲取橫向尺度為 １００ｎｍ 的 微 結 構 形 貌 時，那 么 采 用 尖 端 直 徑 為 １０ｎｍ的探 針 時，目 前 研 究 人 員 認 為 是 合 理 的。 即探針相對 樣 品 較 小，對 ＡＦＭ 測試的結果影響 可以忽略。如果探針信息對 ＡＦＭ 實驗結果影響 比較大時，往往被研究人員稱為“假像”。如 何 從 ＡＦＭ 圖 像 中 獲 取 樣 品 信 息，即 降 低 探 針 對 ＡＦＭ 實驗結果的影響，或者說辨別 ＡＦＭ 實驗結 果中的假像，是 正 確 利 用 ＡＦＭ 對樣品進行測試 分析實驗中必不可少的一項技能。

ＡＦＭ 實驗中產生假像的常見原因分析

  目前人們認為 ＡＦＭ 實驗中主要存在的假像 有探針引起的假像、掃描器引起的假像和電路、機 械系統引起的假像。探針引起假像的原因主要是 探針尺寸相對樣品結構來說太大，首先會引起探 針對樣品尺度的展寬效應，此時得到的球體往 往是扁球體。雖然寬度被探針展寬了，但其高度 信息還是真實的樣品信息。其次，探針太寬時，掃 描成像過程中無法到達樣品中孔結構的底部，得 到圖像中孔的尺度比真實信息要小得多。另外， 實驗中經常見到的樣品形貌圖像一邊比另外一邊 低的現象，也是因為探針斷掉或者別的原因造成 的探針太大，無法測到樣品較低一邊的信息。如 果實驗中看到 ＡＦＭ 圖像中有很多重復的三角形 結構圖 像 如 圖１Ｃ 所 示，這 是 由 于 樣 品 尺 寸 遠 小 于探針尺寸，導 致 ＡＦＭ 圖 像 顯 示 的 不 是 樣 品 的 信息，而是探針的信息。如果針尖上粘附了一個 軟的細小污染物，還經常會得到一些重復的“豆芽 形結構”在 ＡＦＭ 形貌圖像中，如圖１Ａ 所示。解 決探針太大的問題可以通過挑選合適尺寸的探針 或者利用軟件對獲得的 ＡＦＭ 圖像進行反卷積的 處理。

掃描器引起假像的原因主要是壓電陶瓷的磁 滯效應、非 線 性 效 應。ＡＦＭ 儀器中掃描器的執 行部件一般是壓電陶瓷，它用于執行 Ｘ、Ｙ 和Ｚ方 向的伸縮命令，達到定位和控制掃描成像的功能。 壓電陶瓷的磁滯效應、非線性效應等都會影響到 獲取的 ＡＦＭ 圖 像。比 如 原 本 尺 寸 均 勻 的 樣 品， 得到的 ＡＦＭ 形 貌 左 邊 的 尺 寸 小，向 右 則 圖 像 尺 寸逐漸增大。要解決掃描器引起的假像，通常需 要利用標準光柵樣品對掃描器進行磁滯效應、線 性和非線性校準。

此外，探針和樣品的相對角度、ＡＦＭ 儀 器 的 機械漂移、電路反饋等噪音也會影響到獲得的 ＡＦＭ 圖 像。 探針不垂直樣品表面 時獲得的ＡＦＭ 圖 像 中，原本垂直的樣品結構變成傾斜結 構了，該現象通常在掃描矩形光柵的實驗中最為 明顯。探針與樣品的夾角問題可以通過更換幾何 形狀不同的探針或者調節探針與樣品的相對位置 來解決。同時，系統的漂移將會導致原本直線形 的樣品結構，其得到的 ＡＦＭ 形貌特征是彎曲的。 該現象可以通過修正 ＡＦＭ 控制軟件中的漂移速 度來解決。如果電路的反饋速度過低將體現在樣 品圖像模糊，即系統反饋太慢；而電路反饋過快則 引起 ＡＦＭ 圖像中的高頻噪音，不會隨著掃描范 圍變化而變化是它的主要特征。該問題的解決需 要在 ＡＦＭ 控制軟件中，針對不同的樣品，設置優 化合理的電路反饋系數。

圖１是在研究生物分子自組裝實驗中獲得的 三幅 ＡＦＭ 形貌圖，其中圖 Ａ 中出現了許多“豆芽 形結構”，根據前面的分析，該豆芽形結構并非樣 品的形貌，而是探針尖端粘附了一個軟的細小污 染物，該污染物有可能是一個或幾個生物分子。 這種假像的判斷可以通過清洗探針或者換一個沒 有污染的探針重新掃描樣品來解決。

圖１Ｂ中的樣品形貌原本是一個圓環，也 就 是圖中左邊顏色較亮的那個環。但觀察發現，除 了樣品本身的那個圓 環 之 外，Ｂ 圖 中 還 有 兩 個 與 左邊圓環形狀完全一樣的暗環。這兩個暗環并不 是樣品本身的信息，而是因為在探針前端粘附了 兩個軟的長鏈，這兩個長鏈應該是生物分子或者 它們的自組裝結構，暗環的出現正是這兩個長鏈 與樣品上圓環相互作用引起的探針與樣品間作用 力變化，該力 在 數 值 上 小 于 與 真 正 的 ＡＦＭ 探 針 與樣品間的相互作用力，結果在形貌圖像中顯示 為暗環。該暗環屬于假像，它提醒我們，如果獲得 的樣品形貌中有完全一樣的結構，則需要辨別它 們是不是假像。這也可以通過清洗探針或者換一 個沒有污染的探針重新掃描樣品來解決。 圖 Ｃ中出現的重復三角形結構非常典型，這 類假像已經被用來做講課材料來用。它是在我們 研究生物分子自組裝的初期顆粒狀結構時發現 的，如前面分析，這類重復的三角形結構并非樣品 的結構，而是我們采用的三角形探針自身的結構。 此時，生物分子組裝的顆粒還很小，而這根探針則 是用了一段時間的舊探針，前端比較鈍，其尖端直 徑遠大于樣品中顆粒的直徑，所以掃描得到的是 探針的形狀，或者說，探針被樣品的小結構掃描成 像了。解決這個問題的方法是更換新的探針，讓 探針尺度小于樣品的尺度。

圖１ ＡＦＭ 形貌圖

圖１Ａ 為利用被污染的針尖掃描的樣品形貌 圖，其中的豆芽狀結構顯示的是針尖上污染物的 形狀，并非樣品的真實形貌；圖１Ｂ為多個針尖掃 描成像得到的樣品形貌圖，其中樣品真實的形貌 是左邊較亮的那個環，右邊較暗的兩個環為探針 上粘附的兩個長鏈與樣品相互作用過程中掃描得 到的形貌圖；圖１Ｃ為探針尖最前端斷掉時，鈍化 的探針與樣 品 作 用 的 到 的 ＡＦＭ 形 貌 圖，其 中 的 三角形結構并非樣品的形貌，而是針尖的形貌。

 結  論

本文總結了 ＡＦＭ 研究產生假像的幾種原因 和它們可能導致的假像結構，并針對實驗中的到 的三 種 假 像，分析了其產生原因和解決的辦法。 為將來的 ＡＦＭ 實驗數據分析提供了借鑒經驗。