最早扫描式显微技术(STM)使我们能观察表面原子级影像，但是STM 的样品基本上要求为导体，同时表面必须非常平整， 而使STM 使用受到很大的限制。而目前的各种扫描式探针显微技术中，以原子力显微镜(AFM)应用是最为广泛，AFM 是以针尖与样品之间的属于原子级力场作用力，所以又被称为原子力显微镜。AFM 可适用于各种的物品，如金属材料、高分子聚合物、生物细胞等，并可以操作在大气、真空、电性及液相等环境，进行不同物性分析，所以AFM 最大的特点是其在空气中或液体环境中都可以操作， 因此，AFM 在生物材料、晶体生长、作用力的研究等方面有广泛的应用。根据针尖与样品材料的不同及针尖－样品距离的不同，针尖与样品之间的作用力可以是原子间斥力、范德瓦尔斯吸引力、弹性力、粘附力、磁力和静电力以及针尖在扫描时产生的摩擦力。通过控制并检测针尖与样品之间的这些作用力，不仅可以高分辨率表征样品表面形貌，还可分析与作用力相应的表面性质：摩擦力显微镜可分析研究材料的摩擦系数；磁力显微镜可研究样品表面的磁畴分布，成为分析磁性材料的强有力工具；利用电力显微镜可分析样品表面电势、薄膜的介电常数和沉积电荷等。另外，AFM 还可对原子和分子进行操纵、修饰和加工，并设计和创造出新的结构和物质。#01原子力显微镜在材料科学研究中的应用AFM 是利用样品表面与探针之间力的相互作用这一物理现象，因此不受STM 等要求样品表面能够导电的限制，可对导体进行探测，对于不具有导电性的组织、生物材料和有机材料等绝缘体，AFM 同样可得到高分辨率的表面形貌图像，从而使它更具有适应性，更具有广阔的应用空间。AFM 可以在真空、超高真空、气体、溶液、电化学环境、常温和低温等环境下工作，可供研究时选择适当的环境，其基底可以是云母、硅、高取向热解石墨、玻璃等。AFM 已被广泛地应用于表面分析的各个领域，通过对表面形貌的分析、归纳、总结，以获得更深层次的信息。三维形貌观测通过检测探针与样品间的作用力可表征样品表面的三维形貌，这是AFM 最基本的功能。AFM 在水平方向具有0.1-0.2nm 的高分辨率，在垂直方向的分辨率约为0.01nm。尽管AFM 和扫描电子显微镜（SEM）的横向分辨率是相似的，但AFM 和SEM 两种技术的最基本的区别在于处理试样深度变化时有不同的表征。由于表面的高低起伏状态能够准确地以数值的形式获取，AFM 对表面整体图像进行分析可得到样品表面的粗糙度、颗粒度、平均梯度、孔结构和孔径分布等参数，也可对样品的形貌进行丰富的三维模拟显示，使图像更适合于人的直观视觉。图11就是接触式下得到的二氧化硅增透薄膜原子力图像，同时还可以逼真的看到其表面的三维形貌。图11
二氧化硅增透薄膜AFM图在半导体加工过程中通常需要测量高纵比结构，像沟槽和孔洞，以确定刻蚀的深度和宽度。这些在SEM 下只有将样品沿截面切开才能测量。AFM 可以无损的进行测量后即返回生产线。图12 为光栅的AFM 图像，扫描范围为4×4μm。根据图12的结果,通过profile 功能就可以定量测量刻槽的深度及宽度。图12
光栅的AFM 图#02纳米材料与粉体材料的分析纳米材料与粉体材料的分析在材料科学中，无论无机材料或有机材料，在研究中都有要研究文献，材料是晶态还是非晶态。分子或原子的存在状态中间化物及各种相的变化，以便找出结构与性质之间的规律。在这些研究中AFM 可以使研究者，从分子或原子水平直接观察晶体或非晶体的形貌、缺陷、空位能、聚集能及各种力的相互作用。这些对掌握结构与性能之间的关系有非常重要的作用。当今纳米材料是材料领域关注的课题，而AFM 对纳米材料微观的研究中，也是分析测视工具。纳米材料科学的发展和纳米制备技术的进步，将需要更新的测试技术和表征手段，以评价纳米粒子的粒径、形貌、分散和团聚状况。原子力显微镜的横向分辨率为0.1～0.2nm，纵向为0.01nm，能够有效的表征纳米材料。纳米科学和技术是在纳米尺度上（ 0.1～100nm）研究物质（包括原子、分子）的特性和相互作用，并且利用这些特性的一个新兴科学。其最终目标是直接以物质在纳米尺度上表现出来的特性，制造具有特定功能的产品，实现生产力方式的飞跃。纳米科学包括纳米电子学、纳米机械学、纳米材料学、纳米生物学、纳米光学、纳米化学等多个研究领域。纳米科学的不断成长和发展是与以扫描探针显微术（SPM）为代表的多种纳米尺度的研究手段的产生和发展密不可分的。可以说，SPM 的相继问世对纳米科技的诞生与发展起了根本性的推动作用，而纳米科技的发展又为SPM 的应用提供了广阔的天地。SPM是一个包括扫描隧道显微术（STM）、原子力显微术（AFM）等在内的多种显微技术的大家族。SPM 不仅能够以纳米级甚至是原子级空间分辨率在真空、大气或液体中来观测物质表面原子或分子的几何分布和态密度分布，确定物体局域光、电、磁、热和机械特性，而且具有广泛的应用性，如刻划纳米级微细线条、甚至实现原子和分子的操纵。这一集观察、分析及操作原子分子等功能于一体的技术已成为纳米科学研究中的主要工具。在粉体材料的研究中，粉体材料大量的存在于自然界和工业生产中，但目前对粉体材料的检测方法比较少，制样也比较困难。AFM 提供了一种新的检测手段。它的制样简单，容易操作。以微波加热法合成的低水合硼酸锌粉体为例。我们可以将其在酒精溶液中用超声波进行分散，然后置于新鲜的云母片上进行测试。其原子力显微图如图13所示。粒径约为20nm 左右。图13
硼酸锌的AFM 图#03成分分析在电子显微镜中，用于成分分析的信号是X－射线和背散射电子。X－射线是通过SEM 系统中的能谱仪（EDS）和波谱仪（WDS）来提供元素分析的。在SEM 中利用背散射电子所呈的背散射像又称为成分像。而在AFM 中不能进行元素分析，但它在PhaseIma ge 模式下可以根据材料的某些物理性能的不同来提供成分的信息。图2-4 是利用tapping 模式下得到的原子力显微镜相位图像，它可以研究橡胶中填充SiO2 颗粒的微分布,并可以对SiO2 颗粒的微分布进行了统计分析。图14
橡胶中的参杂情况（相位图）#04晶体生长方面的应用晶体生长理论在发展过程中形成了很多模型，可是这些模型大多是理论分析的间接研究，它们和实际情况究竟有无出入，这是人们最为关心的。因而人们希望用显微手段直接观察到晶面生长的过程。用光学显微镜、相衬干涉显微镜、激光全息干涉术等对晶体晶面的生长进行直接观测，也取得了一些成果。但是，由于这些显微技术分辨率太低，或者是对实验条件要求过高，出现了很多限制因素，不容易对生长界面进行分子原子级别的直接观测。原子力显微镜则为我们提供了一个原子级观测研究晶体生长界面过程的全新有效工具。利用它的高分辨率和可以在溶液和大气环境下工作的能力，为我们精确地实时观察生长界面的原子级分辨图像、了解界面生长过程和机理创造了难得的机遇。近几年，国外学者已经开始利用原子力显微镜进行晶体生长机理的研究，特别是研究生长界面的动态过程，这些研究已经对传统的晶体生长理论和模型带来了冲击和挑战，在此基础上，晶体生长理论可望有新的突破。这方面的工作不仅有利于晶体生长理论本身的发展，而且有利于指导晶体生产实践，具有重要的理论和实际意义。应用原子力显微镜研究和修正晶体生长机理已取得以下一些比较典型的进展。美国科学家展示了一种新技术，就是利用原子力显微镜（AFM）触发晶体生长的初结并实时地控制和观察晶体生长过程。美国西北大学的Chad Mirkin 与同事用涂有多聚物的AFM 探针在石英基片上完成了对一种多聚物晶体的生长、观察和控制。Mirkin小组先在室温下用AFM 探针将一滴多聚DL 赖氨酸（PLH）滴在石英基片上。接着，他们用探针扫描这个基片，扫描区域为8×8 微米。在不断地扫描过程中，他们先是发现了两块三角形的结晶，其中一块边长只有320 纳米。他们看到这两颗“种子”不断地生长，同时其它的晶体也在不断出现。他们还发现如果在AFM 探针上涂上一层PLH 就可以对晶体的生长进行控制。在控制实验中， PLH 是直接滴在石英基片上的，他们造出了各种大小的随意结构和三角形晶体。当温度提升至35°C 时，他们发现晶体由三棱柱结构变成了立方体结构。如图15。这一对晶体的研究技术较之传统X 射线衍射法，最小研究对象要小5 个数量级。这一进展的意是：以前由于晶体体积太小而无法用传统方法研究的晶体初期生长过程首次展示在人们面前。图15
晶体的生长#05在薄膜技术中的应用随着膜技术的蓬勃发展，人们力图通过控制膜的表面形态结构，改进制膜的方法，进而提高膜的性能。在过去的多年的研究中，关于膜的制备、形态与性能之间的关系已经做了多方面的尝试和研究，而且这些尝试和研究对于膜的形成与透过机理都十分有价值，然而由于过程相当复杂，对其中的理解仍然是不够充分的。1988 年，当AFM 发明以后，Albrecht 等人首次将其应用于聚合物膜表面形态的观测之中，为膜表面形态的研究开启了一扇新的大门。AFM 在膜技术中的应用相当广泛，它可以在大气环境下和水溶液环境中研究膜的表面形态，精确测定其孔径及孔径分布，还可在电解质溶液中测定膜表面的电荷性质，定量测定膜表面与胶体颗粒之间的相互作用力。无论在对哪个参数的测定中， AFM 都显示了其他方法所没有的优点，因此，其应用范围迅速增长，已经迅速变成膜科学技术中发展和研究的基本手段。用于膜表面形态和结构特征研究的手段方法和很多，如扫描电子显微镜、压汞法、泡点法、气体吸附-脱附法、热孔法以及溶质透过特性等等。其中只有扫描电子显微镜能够提供直接而又详细的资料，如孔形状和孔径分布。它在一段时期曾是微电子学的标准研究工具，它可以分辨出小至几个毫微米的细节。但是这种显微镜要求试样表面涂覆金属并在真空中成像，三维分辨能力差，发射的高能电子可能会损坏试样表面而造成测量偏差。AFM 通过探针在试样表面来回扫描，生成可达到原子分辨率水平的图象，并不苛刻的操作条件（它可以在大气和液体环境中操作），以及试样不需进行任何预处理的特点，其在膜技术中的应用引起了广泛的兴趣。#06AFM 在膜技术中的应用与研究主要包括以下几个方面1)膜表面结构的观察与测定，包括孔结构、孔尺寸、孔径分布；2)膜表面形态的观察，确定其表面粗糙度；3)膜表面污染时的变化，以及污染颗粒与膜表面之间的相互作用力，确定其污染程度；4)膜制备过程中相分离机理与不同形态膜表面的之间的关系。#07膜表面结构的观察与测定当一幅清晰的AFM 图象得到后，在图象上选定一条线作线分析（line analysis ），可做孔径和孔径分布的研究。在使用AFM 观测膜的表面时，科研工作者不忘将其测定结果与其它方法得到的结果进行了比较。研究发现，AFM 的接触模式与非接触模式的测定结果相似，而SEM 和TEM 的测定值都偏小。造成这种偏差的原因是由测定方法所决定的。SEM 要求在样品表面覆盖一层导电层，而TEM 要求制备样品的复制品。这些对试样的预先处理都会带来测量上的偏差。这已经得到了证实。同时，膜也有可能被电子光束所破坏。在膜表面结构和形态的观察中研究人员还发现，膜的操作环境同样会对测量结果产生影响。我们知道，AFM 可以在大气环境和液体环境中对膜表面进行成像扫描。Bowen 在研究微孔膜时发现，随着NaCl 溶液浓度的变小，得到的表面图象和孔径测定结果都相对较差。因此，AFM 不是说按一个简单的按钮就可以完成所有的工作，它需要在测试时调整各种参数以求达到最好的结果。尽管如此，它仍然不失为膜表面观察的首选技术。#08膜的表面粗糙度通常认为，由高分子材料制备得到的合成膜表面应当是光滑的，因此认为在膜的制备过程中产生表面带有花纹的膜是所不希望得到的。但是，随着膜科学技术的发展和对膜现象的深入了解，人们越来越意识到为什么表面看似有花纹的膜在其透过通量上却比平整的膜表面有更大的优势。AFM 利用其先进的扫描技术和分析方法可以对膜的表面图象进行分析，得到其粗糙度参数。可以用AFM 观察反渗透膜时找到膜的透过通量与粗糙度之间的关系：随膜表面粗糙度增高，膜的水通量增大，这是因为膜的有效面积增大的缘故。换言之，表面粗糙度大的膜表面可以获得更大的比表面积以及更大的透过通量。用AFM 研究膜表面时还发现，膜表面的粗糙区可分为非晶形区和晶形区，而且膜表面的不规整性还会影响膜的物理化学性质。#09透气通量与膜表面粗糙度的变化关系反渗透膜和超滤膜在水处理中的一个主要问题是膜污染。在对膜的粗糙度进行研究时发现，膜表面的粗糙度与膜污染之间存在一定的关系。Elimelech 等研究了被胶体污染了的醋酸纤维素反渗透膜和芳香聚酰胺反渗透复合膜，发现芳香聚酰胺复合膜的受污染程度高，这主要归因于复合膜表面的粗糙度高。而且膜表面图象也显示了相对于醋酸纤维素反渗透膜较为平整的膜表面，芳香聚酰胺复合膜存在大量的“山峰”结构。Bowen对纳滤膜的研究也得到了相似的结果。由上可见，AFM 对膜表面的粗糙度的分析，对膜的性能与表面形态之间的关系研究提供了极大的方便。#10膜表面污染程度研究在研究膜的污染状况前，先看看AFM 在其中的作用。AFM 可以通过测量悬臂的弯曲程度来测量膜表面与探针针尖之间的相互作用力。假设将针尖的硅/二氧化硅取而代之，换以一球形颗粒附着在悬臂上，测量其与膜表面之间的作用力，便可知其在膜上的粘附程度，从而预见膜表面的污染状况，这种技术称为“胶粒探针”技术。随着技术的提高，颗粒的直径可以从0.75μm 做到15μm。利用“胶粒探针”技术定量分析膜表面与各种材料之间的相互作用力使得快速评估不同颗粒在膜表面的污染状况成为可能，简化了膜的研制过程，并在膜材料的选择方面提供理论指导依据，从而推动低污染或无污染膜的快速发展。#11成膜机理研究高分子膜结构与相分离机理紧密相关，尤其是非晶形聚合物，相分离过程对膜的表面形态和结构影响极大。AFM 对膜表面形态与结构的成像与分析，对于膜制备过程中的成膜机理研究也带来了极大的帮助。AFM 在膜技术方面显示了强大的应用能力。无论在空气中或是液体环境中，AFM无需对膜进行任何可能破坏表面结构的预处理，就能生成高清晰度的膜表面图象。通过对膜表面形态、结构以及与颗粒间的相互作用力进行测定，使人们掌握膜的结构、形态与膜性能之间的关系，了解膜的抗污染程度，以及对成膜机理进行更深入的研究，推动膜科学技术的迅猛发展。