原子力显微镜简介-国家纳米科学中心-杨延莲
原子力显微镜技术在纳米机械研究中的应用
原子力显微镜技术在纳米机械研究中的应用随着科技的进步和发展，人们的生活水平与质量得到了很大的提升。
在工业和科技领域，纳米技术已经成为最受关注的前沿领域之一。
纳米机械研究也是这一领域中的热点之一。
而原子力显微镜技术，作为一种非常强大的工具，成为了纳米机械研究中的重要手段。
本文将阐述原子力显微镜技术在纳米机械研究中的应用。
一、原子力显微镜技术简介原子力显微镜技术是一种高分辨率的成像技术。
它利用探针和样品之间的相互作用，测量样品表面的拓扑结构和力学性质，并可直观地呈现出来。
该技术的最大优势是可以在常温下直接高分辨率地成像。
同时，它还可以进行局部的磁场、电场和化学反应的研究。
因此，原子力显微镜技术在纳米科学、材料科学等领域内得到广泛应用。
二、原子力显微镜技术在纳米机械研究中的应用1、纳米机械的制备纳米机械是指尺寸在0.1-1000纳米之间的机械结构。
研究纳米机械可以为纳米器件制备和应用提供基础。
而原子力显微镜技术可以提供对样品表面进行高分辨率成像的能力，为纳米机械的制备提供工具。
例如，可以通过这种方法将纳米金刚石点刻在金属基底上，制备出纳米机械结构。
同时，研究纳米机械的表面特性和其对力的响应，需要对其进行原子级别下的观察和分析，这也依赖于原子力显微镜技术提供的高分辨率成像和力学性质测量能力。
2、纳米机械的性能测试研究纳米机械的性能表现需要进行各种性能测试，如摩擦力、力变形量、分子结构等。
而原子力显微镜技术可以为这些测试提供高精度的观察和检测工具。
例如，在研究纳米机械的摩擦力时，利用原子力显微镜技术可以在样品表面和探针之间进行精确的测量和观察，测量样品表面的摩擦系数和摩擦力随位置和时间的变化。
这对于研究纳米机械的运动机理、寿命、耐久性、耗损等性能参数非常重要。
3、纳米机械的应用测试在工业应用和材料科学领域，研究纳米机械的应用测试同样需要利用原子力显微镜技术。
例如，在研究纳米机械用于材料耐磨性测试时，利用原子力显微镜可以实现材料表面的高精度成像和量化表征。
原子力显微镜原理介绍
原子力显微镜原理介绍原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种利用原子力相互作用的显微镜，可以在原子尺度上对样品表面进行高分辨率的成像。
AFM具有高分辨率、高灵敏度、无需对样品进行特殊处理等优点，被广泛应用于材料科学、生物科学等领域。
AFM的原理基于力电荷耦合作用。
当扫描探针和样品表面之间存在距离时，由于它们之间的静电力、范德华力及表面张力等作用，会使探针弯曲。
AFM通过在探针上施加压电力来对探针进行调节，使与样品表面的相互作用力保持恒定，从而测量得到探针的形变信息。
通过对形变信息的处理，可以得到样品表面的三维拓扑图像。
AFM的核心组成部分是扫描探头和力传感器。
扫描探头通常由一个尖端和一段弯曲的弹簧杆组成。
尖端的大小一般在纳米尺度，可以用于成像不同大小和形状的样品。
弹簧杆的弯曲情况则是通过力传感器来测量的。
在AFM操作过程中，首先将样品固定在一个大型可移动的扫描平台上。
然后，将扫描探头靠近样品表面，使其与样品之间的距离保持在1-10纳米的量级范围内。
通过扫描平台的控制，可以使探针在样品表面上进行扫描。
当探针在样品表面上移动时，它所受到的相互作用力会随着扫描位置的改变而改变。
根据探针的形变，可以准确测量样品表面的高程和形貌信息。
AFM可以通过不同的模式进行操作，常见的模式包括接触模式、非接触模式和振动模式等。
接触模式是最常用的模式，通过将探针与样品表面保持接触，测量形变信息。
非接触模式则是通过探针与样品表面之间的范德华力进行作用，避免了对样品的破坏。
振动模式则是通过控制探针的共振频率来得到形变信息。
AFM不仅可以提供样品表面形貌信息，还可以测量样品的力学性质。
通过改变探针与样品表面之间的相互作用力的大小和方向，可以测量样品的硬度、弹性模量等力学参数。
总之，原子力显微镜是一种利用原子力相互作用实现高分辨率成像的显微镜。
通过测量探针的形变信息，可以获得样品表面的三维拓扑图像和力学性质。
原子力显微镜在纳米医学研究中的应用
原子力显微镜在纳米医学研究中的应用
奇云
【期刊名称】《科学与财富》
【年(卷),期】2011(000)001
【摘要】原子力显微镜(AFM)是扫描探针显微镜(SPM)家族主要成员之一.自问世以来,因其样品制备简单、可在多种环境中运作、高分辨率等技术优势,由最初的纳米水平单分子成像,逐渐展到表面功能的研究、分子间力的测量、可控性原子和分子操作等功能,在纳米医学研究中发挥着无可替代的重要作用.
【总页数】2页(P6-7)
【作者】奇云
【作者单位】安徽淮南联合大学,淮南市,232038
【正文语种】中文
【中图分类】R319
【相关文献】
1.原子力显微镜在生物医学研究中的应用 [J], 师晓丽;余军平;江雅新;方晓红
2.基于原子力显微镜的单分子探测技术及其在医学研究中的应用 [J], 陈建敏;杨拯;何彦芳
3.原子力显微镜（AFM）应用于纳米科学中的研究进展 [J], 于凉云;张奇;袁淑军
4.原子力显微镜在纳米材料研究中的应用 [J], 贺祯;侯艳超;周璇;殷海荣
5.双成像单元原子力显微镜及其在大范围纳米计量中的应用 [J], 林晓峰;章海军;张冬仙
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原子力显微镜基础知识解读
原子力显微镜基础知识解读原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种高分辨率的显微镜，可用于研究物质的表面形态、力学性质等。
AFM采用扫描探针从样品表面扫描，利用针尖与样品表面的相互作用力来获得样品表面的形貌信息。
AFM具有高分辨率、非接触测量、可以在常温常压下进行实验等优点，因此被广泛应用于物理、化学、材料等多个领域的研究。
AFM工作原理AFM探头在扫描样品表面的过程中，通过针尖与样品表面的相互作用力（包括原子间力、化学键力、范德华力、弹性力等）来感知样品表面形态信息。
AFM采用的采样频率一般在几十赫兹到几百赫兹之间，探测范围在纳米到微米之间，精度可达纳米级别。
AFM探测原理大体可以分为力-位移探测和干涉仪探测两种方式。
力-位移探测是利用弹性探针尖部与样品表面间的相互作用力来感知样品表面形态信息。
探针在扫描样品表面时，探针尖部的位置发生微小变化，这种变化可以通过晶体谐振试验测量得到。
干涉仪探测则是采用光学干涉原理，通过探针尖部的振动干涉信号来获得样品表面形态的信息。
AFM应用领域AFM在各个领域有着广泛的应用。
在表面形态方面，AFM可以获得样品表面形貌、粗糙度、角度等信息。
在生物领域，AFM 可以用于测量蛋白质、DNA、细胞等的力学性质，如弹性模量、形变硬度等。
在材料科学领域，AFM可以用于材料表面物理性质的研究，如表面润湿性、磁性、电学性质等。
在纳米科技领域，AFM可以用于制备纳米结构及其表面形态研究等。
使用AFM时需要注意的事项在使用AFM时需注意：1、准备好样品。
样品应具备光洁度、平整度等要求，要排除可能引起探针损坏或测量误差的因素。
2、确定扫描范围。
根据需要获得的样品表面信息，确定扫描范围及分辨率。
3、选择适量的力度。
根据样品类型及探针硬度等因素，选择适量的力度。
4、检测探针。
检测探针的质量及硬度等特性。
5、设置参数。
根据采样方式、探租类型及大小等，设置相应的参数。
纳米材料力学行为的研究与应用
纳米材料力学行为的研究与应用纳米材料力学行为的研究与应用是近年来材料领域的一个热门研究方向。
随着纳米科技的发展，纳米材料的力学性能越来越得到广泛重视。
本文将重点介绍纳米材料力学行为的研究方法和其在应用方面的一些进展。
一、纳米材料力学行为的研究方法1. 原子力显微镜（AFM）技术原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）技术是一种能够实时观察和测量纳米尺度下材料表面形貌和力学行为的重要手段。
AFM技术通过感应力探针对材料表面进行扫描，从而获取其表面形貌和纳米力学特性，如弹性模量、硬度等。
AFM技术广泛应用于纳米材料弹性性能、表面摩擦行为、纳米材料拉伸等方面的研究。
2. 分子动力学模拟分子动力学模拟是一种借助计算机模拟方法对原子尺度下材料力学行为的研究手段。
该方法基于牛顿力学原理，通过追踪替代材料中原子的位置、速度和受力情况来模拟和预测其宏观力学行为。
分子动力学模拟方法可以揭示纳米材料的变形、断裂行为以及力学性能与其微观结构之间的关系。
3. 纳米压痕技术纳米压痕技术是一种通过将纳米金刚石探头压入材料表面并测量其力学响应来评估纳米材料力学性能的方法。
通过纳米压痕实验可以获得纳米材料的硬度、弹性模量和塑性变形等力学参数。
纳米压痕技术在纳米材料力学行为的研究中具有重要的应用价值。
二、纳米材料力学行为的应用1. 纳米材料的增强效应纳米材料具有与传统材料相比更高的强度和硬度，这主要归因于尺寸效应和表面效应的增强作用。
纳米材料的力学性能的研究可以为设计和制备高强度、高韧性的材料提供指导。
例如，纳米粉末强化的复合材料在航空航天、汽车工业和结构工程领域具有广泛的应用前景。
2. 纳米材料的疲劳性能优化纳米材料由于其特殊的晶界结构和位错行为，具有较好的疲劳性能。
研究纳米材料的疲劳行为，可以揭示纳米材料在循环载荷下的微观变形机制，优化材料的疲劳寿命。
这对于提高纳米材料在航空航天、结构工程等高强度、高可靠性应用领域的应用具有重要意义。
原子力显微镜
原子力显微镜1 简介编辑本段生物型原子力显微镜它主要由带针尖的微悬臂、微悬臂运动检测装置、监控其运动的反馈回路、使样品进行扫描的压电陶瓷扫描器件、计算机控制的图像采集、显示及处理系统组成。
微悬臂运动可用如隧道电流检测等电学方法或光束偏转法、干涉法等光学方法检测，当针尖与样品充分接近相互之间存在短程相互斥力时，检测该斥力可获得表面原子级分辨图像，一般情况下分辨率也在纳米级水平。
AFM测量对样品无特殊要求，可测量固体表面、吸附体系等。
2 原理编辑本段2.1 概括原子力显微镜（atomic force microscope，简称AFM）利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力，从而达到检测的目的，具有原子级的分辨率。
由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不足。
原子力显微镜是由IBM公司苏黎世研究中心的格尔德·宾宁与斯坦福大学的Calvin Quate于一九八五年所发明的，其目的是为了使非导体也可以采用类似扫描探针显微镜（SPM）的观测方法。
原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）最大的差别在于并非利用电子隧穿效应，而是检测原子之间的接触，原子键合，范德瓦耳斯力或卡西米尔效应等来呈现样品的表面特性。
2.2 详细图1. 激光检测原子力显微镜探针工作示意图原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。
利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。
下面，我们以激光检测原子力显微镜（Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection,Laser-AFM）——扫描探针显微镜家族中最常用的一种为例，来详细说明其工作原理。
原子力显微镜介绍
几种检测方法比较
分辨率 优缺点
隧道电流法
Z向0.01nm
电容法
光学干涉法 光束偏转法
Z向0.01nm
z向0.001nm z向0.003nm
当微悬臂上产生隧道电流的部 位被污染时，其性能将下降， 因此该法适用于高真空检测 抗噪音水平低
灵敏度和信噪比都高，设备复 杂 原理和技术简单，精度也较高， 适用范围广
Typical system & constitution
Advantage
AFM优点
AFM能提供生物分子和生物表面的分子／亚分子 高分辨率的三维图像。 AFM 技术的样品制备简单，甚至无需处理，对样 品破坏性较其他常用技术要小得多。 AFM可以在大气、真空、低温和高温、不同气氛 以及溶液等各种环境下工作 AFM不受样品导电性质的限制，因此已获得比STM 更为广泛的应用。
Typical system & constitution
对微悬臂的要求
Typical system & constitution
对针尖性能的要求
1. 理想针尖的顶端应该是单个原子，这样的针尖 能够灵敏地感应出它与样品表面之间的相互作用 力。 2. 尽可能小的曲率半径。（50~100nm） 3. 高的机械柔软性，针尖扫描时，即使撞击到样 品的表面也不会使针尖损坏。 4. 高的弹性形变，可有效地限制针尖在样品表面 上的作用力，从而减小对样品的损害，对柔软 的生物样品特别有利。 5. 稳定的结构。
原子力显微镜（AFM）简介
袁英杰 2014.4.16
主要内容
1、背景 2、原理 3、典型系统及构造 4、优点 5、缺点 6、相关应用 7、发展
background
扫描隧道显微镜（STM）
原子力显微镜简介-国家纳米科学中心-杨延莲
原子力显微镜简介杨延莲国家纳米科学中心2007.3.301.原子力显微镜的发展历史2.原子力显微镜的基本原理3.原子力显微镜的要素4.原子力显微镜的操作模式5.原子力显微镜的针尖卷积效应与图像假像6.原子力显微镜的应用进展•三维扫描控制•控制电路•振荡隔离系统•微悬臂形变检测方法•微悬臂的设计思想及制作方法•基本成像模式•派生成像模式•谱学模式原子力显微镜的发展历史mmμmnm10-910-610-3m肉眼可见光学显微镜扫描电镜扫描探针显微镜扫描I扫描IZI 一次扫描扫描示意图扫描隧道显微镜(STM)的发明和原理1982年，IBM 苏黎世实验室的G. Binnig 博士和H. Rohrer 博士及其同事们发明了STM氙原子在镍(110)表面排成的最小IBM商标铜(111)表面上的铁原子量子围栏搬走原子写“中国”铂表面上一氧化碳分子排成的“纳米人”铁原子在铜(111)表面排成的汉字原子力显微镜(AFM)的发明由于STM是利用隧道电流进行表面形貌及表面电子结构性质的研究，所以只能直接对导体和半导体样品进行研究，不能用来直接观察和研究绝缘体样品和有较厚氧化层的样品。
1986年Binnig、Quate和Gerber发明了第一台原子力显微镜1987年Quate等人获得了高定向热解石墨（HOPG）的高分辨原子图像1987年，Quate等人获得了高定向热解氮化硼（HOPBN）表面的高分辨原子图像，其中HOPBN是第一个用AFM获得原子分辨图像的绝缘体。
原子力显微镜的派生功能摩擦力显微镜（FFM）磁力显微镜（MFM）导电AFM（CAFM）静电力显微镜（EFM ）表面电势成像（SP imaging）扫描电化学显微镜（SECM）扫描电容显微镜（SCM）扫描热显微镜（SThM）这些新型的显微镜，都利用了反馈回路通过针尖和样品的某种作用（光、电、热、磁、力等）来控制针尖在距表面一定距离处扫描，从而获得表面的各种信息。
原子力显微镜的基本原理在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间的相互作用力，来研究待测物表面的形貌和物理化学特性。
原子力显微镜在纳米尺度下的应用
原子力显微镜在纳米尺度下的应用自从发现纳米科技以来，纳米技术领域的研究已经成为了当今世界科技领域的热门话题。
原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是用来研究材料表面形态、结构和性质的一种非常优秀的工具。
它的出现使得我们有可能去观测、操作及研究纳米级别的材料，为纳米技术的实现提供了很好的条件。
一、原子力显微镜介绍原子力显微镜是一种通过探针正接触样品表面进行扫描，将探针和表面之间所产生的相互作用力量转化为图像的高分辨显微技术。
它是一种实际上在纳米尺度具有接近原子分辨率的高分辨显微技术，以分子和原子水平检测材料表面为主要应用领域。
在它的操作中，探针会扫描在表面的不同几何形状和材料上，探测出内部结构和性质的变化，输出高质量的表面形貌图像和其它信息。
由于其无需对样品进行特殊处理，且具有高分辨率、非接触、低射线损伤、便于操作等优点，它已得到广泛应用。
在材料、生命科学、表面科学、电子等领域都可以看到它的应用。
尤其对于纳米领域的研究，它是一项关键的检测工具。
二、原子力显微镜在纳米电子领域中的应用原子力显微镜在纳米电子领域中有着重要的应用，其中最主要的是在纳米电子压力检测中。
原子力显微镜技术可以测量纳米晶体表面的作用力，包括原子间的相互排斥力，电荷作用力，分子之间的相互作用力，化学键的强度等。
其非接触式的操作方式，避免了电子束或原子束材料损伤所产生的误差，同时可以对材料的力学性质、形态和组成进行高分辨显微成像。
AFM技术可以精确测量电子元器件上的线路压力，分析电子元器件表面的变形及特定细节。
这些变形和特征是为了承载和传递载流子而引入的。
在电子元器件模块工作可靠性测试方面，AFM 显微镜技术可以确定组件之间的物理连接可靠性是否足够高。
三、原子力显微镜在纳米材料领域中的应用在纳米科技领域，原子力显微镜可以用来检测材料表面的形态和化学构成，以及纳米材料的结构和力学性质等。
它可以通过扫描电镜或透射电镜来证实纳米颗粒的尺寸及其分布，用拉曼光谱法来确定纳米材料的相对结构，也可以通过场致透射电镜进行纳米颗粒形状、尺寸和只能分布的研究等。
AFM 原子力显微镜简介
谢谢！
• 2.振幅图 在接触模式下，给微悬臂加上一个小振幅、低 频率的简谐振动后（力调制技术），通过记录微悬 臂振幅的变化而成像。 • 3. 相图 是与振幅图相类似， 在轻敲模式下，通过记 录高频振动的针尖在接 触样品表面后，振动相 位的变化（滞后）程度 而成像。
6.AFM应用
• 观测样品表面形貌
云母的原子像（接触模式）
5.辅助图像
• 在不同模式下进行扫描时，通过记录其他的信号成 像，可以得到形貌图的辅助图像，例如接触模式下 的偏移图（错位信号图）和振幅图，以及轻敲模式 下的相图。 • 1.偏移图（错位信号图） 在接触模式下，通过记录反射激 光束在PSPD上的即时信号与预设信 号之间的电压差而成像。
5.辅助图像
DVD光盘表面（接触模式）
6.AFM应用
• 观测样品表面形貌
PE膜，左图为高度图，右图为相图
6.AFM应用
• 观测样品表面形貌
高分子的片晶和球晶结构
6.AFM应用
• 观测生物样品
λ -DNA
霍乱菌
6.AFM应用
• 表面信息统计分析
7.AFM的缺陷
• 1.较小的扫描范围，100μm到 10nm，容易将局部的、特殊的 结果当作整体的结果而分析， 以及使实验结果缺乏重现性。
AFM 原子力显微镜简介
刘鹏
主要内容
• Байду номын сангаас • • • • • 1.概述 2.工作原理 3.仪器介绍 4.成像模式 5.辅助图像 6.AFM应用 7.AFM的缺陷
1.概述
• AFM (Atomic Force Microscope)原子力 显微镜 以原子间力为理论基础的显微镜， 从STM（扫描隧道显微镜）发展而来 • 以原子尺寸观察物质表面结构 • 金属、半导体、绝缘体 • 大气、液体环境下直接观察 • 精确测量样品的尺寸参数精确测 量样品的尺寸参数
原子力显微镜
原子力显微镜原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种高分辨率的显微镜技术，通过探针与样品表面的相互作用，可以获取纳米级的表面形貌和力学性质信息。
本文将介绍原子力显微镜的原理、应用以及未来的发展前景。
一、原理原子力显微镜的工作原理基于触针与样品表面的相互作用力，通过探测器对这种相互作用力进行检测和测量。
主要包括力探头、支撑结构、扫描部件、力传感器等多个部分。
当力探头接近样品表面时，表面原子与力探头上的原子之间会发生排斥或吸引的作用力，力探头被弯曲，力的大小和方向与样品表面的形貌和力学性质有关，通过探测器的测量，可以得到样品表面精细的拓扑信息。
二、应用领域原子力显微镜在材料科学、生物科学、纳米技术等领域有着广泛的应用。
1. 材料科学原子力显微镜可以用于材料的表面结构和形貌研究。
通过观察样品表面的凹凸不平、纳米级的颗粒分布等可以得到材料的表面形貌信息。
同时，还可以通过测量样品表面的硬度和弹性模量来评估材料的力学性质。
2. 生物科学生物领域中，原子力显微镜可以用于观察和研究生物分子的结构和相互作用。
通过将生物样品固定在一个稳定的平台上，可以观察到生物分子的三维结构，从而研究其功能和性质。
此外，原子力显微镜还可以用于细胞力学性质的研究，例如细胞的刚度、粘附性等。
3. 纳米技术在纳米技术领域，原子力显微镜扮演着重要的角色。
可以利用原子力显微镜来观察纳米颗粒的形貌、尺寸和分布，对纳米结构进行表征和分析。
此外，原子力显微镜还可以用于纳米加工、纳米操纵等方面的研究。
三、未来发展前景原子力显微镜作为一种重要的纳米级表征工具，其发展前景非常广阔。
1. 提高分辨率随着技术的不断发展，原子力显微镜的分辨率得到了大幅度的提高。
未来，我们可以预期原子力显微镜的分辨率将越来越高，可以观察到更加微小的结构和表面特征。
2. 多种模式的结合目前已经存在多种不同的原子力显微镜工作模式，例如接触模式、非接触模式、谐振模式等。
原子力显微镜简介
蝴蝶翅膀的AFM成像
云母片上的抗体分子的 AFM成像
生物样品
λ -DNA
霍乱菌
遭疟疾感染的人体红血球和蓝藻
纳米加工：
利用AFM可以对样品进行表面原子搬运，原子蚀刻，从 而制造纳米器件。
用AFM针尖移动Si原子 形成的IBM文字
3、检测系统
获得样品表面形貌是通过检测微悬臂位 置的变化而实现的。检测微悬臂位置变化的 主要方法有：
激光反射检测法 隧道电流检射检测法 激光器发出的激光束经过 光学系统聚焦在微悬臂背 面，并从微悬臂背面反射 到由光电二极管构成的光 斑位置检测器。 在扫描样品时，随着样品 表面的原子与微悬臂探针 尖端的原子间的作用力的 变化，微悬臂将随样品表 面形貌变化而上下起伏， 反射光束也将随之偏移， 将光斑位置转化为电信号 后，再经计算机处理就能 反映出样品表面的形貌。
AFM相关的显微镜及技术
AFM能被广泛应用的一个重要原因是它具有开放性。 在AFM基本操作系统基础上，通过改变探针、成 像模式或针尖与样品间的作用力就可以测量样品的 多种性质．下面是一些与AFM相关的显微镜和技术：
1.侧向力显微镜(LFM) 2.磁力显微镜(MFM) 3.静电力显微镜(EFM) 4.化学力显微镜(CFM) 5.相检测显微镜(PHD) 6.纳米压痕技术(nanoindentation) 7.纳米加工技术(nanolithography)
Bruker 原子力显微镜（Dimension Icon AFM）
AFM现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、 生物、化工、食品、医药研究，成为各种纳米 相关学科研究的基本工具。
AFM的基本原理
AFM是在STM 的基础上发展 起来的。所不 同的是，它不 是利用电子隧 道效应，而是 利用原子之间 的范德华力作 用来呈现样品 的表面特性。
原子力显微镜在纳米材料研究中的应用
原子力显微镜在纳米材料研究中的应用第一章: 简介原子力显微镜 (AFM) 是一种利用悬臂梁技术对材料进行非接触式表面显微分析的高分辨率技术。
AFM 最初是用于表面缺陷的观察和研究，但是其高分辨率和高灵敏度也使其成为纳米材料研究的工具之一。
这种仪器可用于材料结构、力学性能和电子性质、力学性质等方面的研究。
本文将介绍 AFM 技术，以及它在纳米材料研究中的应用。
第二章: AFM 基本原理AFM 是基于扫描探针显微镜的原理而建立的，其主要原理是利用一根非弹性悬臂梁来感知表面结构和形貌的变化，并将此变化转化为电信号输出。
AFM 探针的探头具有非常尖锐的金属或碳纳米管制成的尖端，通过探头对表面进行扫描，可以在非接触状态下测量材料表面的拓扑和结构性质。
第三章: AFM 在纳米材料研究中的应用3.1 纳米结构表面形貌的研究原子力显微镜在研究纳米结构表面形貌方面具有非常出色的表现。
AFM 可以在非接触状态下对样品表面的形貌进行非常高分辨率的测量。
因此，AFM 在纳米材料研究中的最常见应用之一是用于检测、分析纳米结构表面形貌的特征，如表面粗糙度和形态学。
3.2 纳米结构力学性能的研究除了材料形貌表征外，AFM 还可以通过悬臂梁测量样品物理机械性能从而研究其材料力学性能。
例如，针对纳米材料的硬度、弹性、强度等参数，这些参数是材料制备和使用的关键之处。
3.3 纳米结构电学性质的研究AFM 还可应用于电学性质测量。
使用适当的 AFM 探针可以测量金属纳米线和纳米管材料中电介质的介电常数，从而有助于检测微观电学元件的异常。
同时，利用扫描隧道电镜 (STM) 的相关技术，同时从两方面记录具体纳米管内部的电学和形区规律，样品电学性质也可以以此来验证。
第四章: 纳米材料制备中的应用AFM 还可以在纳米材料制备过程中用于实时监测和控制材料质量和结构。
例如，在纳米结构晶硅表面化学反应和自组装过程中，利用原子力显微镜可以对试样表面进行原子尺度的观察和研究，可以检测其形态学和表面电学性质。
原子力显微镜的工作原理及在纳米材料研究中的应用
原子力显微镜的工作原理及在纳米材料研究中的应用原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）是一种高分辨率的显微技术，它可以用于扫描表面，测量表面特征和性质。
它是通过扫描探针和样品表面之间的力来工作的。
这个技术可以加强我们对纳米尺度上物质性质的理解，并且可以在许多应用中使用。
在AFM中，一个极小的探针被扫描在样品表面上，探头的尖端只有几纳米的直径，整个探头尺寸也只有数微米。
这个探头位于微机电系统（MEMS）设备上，它可以绕轴旋转，并且能够向下移动和移动到样品表面上。
当探头接触到样品表面时，它的位置和形状会随着表面的轮廓变化而变化，这个变化可以通过微操作跟踪到。
AFM可以通过给探针施加特定的力来测量材料的性质。
例如，当探头在一个非常平滑而均匀的金属表面滑动时，探头可以给这个表面施加力量，以扭曲表面原子的位置，从而测量表面的刚度。
此外，AFM还可以测量地面的拉伸模量和划痕硬度，这可以是有用的在纳米小涂层材料性质研究方面。
除了这些力学测量之外，AFM还可以将电子偏转跟踪到样品表面上，并记录电子流的变化，从而确定电场的分布和电学特性。
这种分析技术也可以用于通过样品表面传递电流的热传递和热物理特性的测量。
AFM技术已经被广泛应用于研究纳米材料，这些材料的尺寸仅有几十纳米，比传统的材料小得多。
这使得材料的行为在宏观和微观层面上都发生了很大的变化，AFM则使得研究纳米材料特性成为可能。
纳米材料通常在催化剂，光电甚至生物医疗领域得到广泛应用。
通过分析这些材料的化学特性，结构和其他属性，我们可以了解它们在这些应用中的行为。
另外，AFM还可用于制备纳米材料。
通过细微控制压力和重复扫描，样品可以被划痕，切割和定向移动，从而制备出具有高度复杂结构的纳米材料。
在催化剂应用中，AFM技术可以用于表征催化材料表面, 检测微观和纳米尺度上的催化剂活性中心和表面结构。
此外，AFM技术还可以帮助监测催化剂熵的变化，这通常是表征这种材料在使用中的最重要参数之一。
现代材料分析方法原子力显微镜
现代材料分析方法原子力显微镜引言：原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是一种重要的现代材料分析方法。
它是扫描探针显微技术的延伸，能够在纳米尺度上实现高分辨率的表面形态观察与力学性质测量。
本文将对原子力显微镜的原理、工作方式以及在材料分析中的应用进行详细介绍。
一、原子力显微镜的原理原子力显微镜是通过采用一根非常细微的探针来扫描样品表面，然后利用由探针与样品表面之间的相互作用引起的微小位移或力的变化，来获取表面形貌的一种显微仪器。
原子力显微镜的操作原理可以概括为以下几个步骤：1.将探针靠近样品表面，形成近邻距离；2.探针与样品表面之间的相互作用（通常为范德华力和弹性力）引起探针的振幅或共振频率的改变；3.根据这些变化，通过对探针进行调节使得探针与样品之间的相互作用恒定；4.再根据探针的运动调整探针离开样品的高度，保持探针与样品之间的恒定力。
二、原子力显微镜的工作方式原子力显微镜可以通过不同的工作方式来获得不同的信息。
1.接触模式：探针与样品之间保持接触，并测量在探针与样品之间的范德华力改变时探针的位移而获得表面形貌。
探针与样品的接触会引起样品表面的损伤，不适合对脆性材料的表面进行观察。
2.非接触模式：探针与样品之间存在离散的范德华力。
探针通过振动，在探针和样品之间测量相互作用的变化。
非接触模式适用于对脆性材料和生物样品的观察。
3.谐振模式：探针在谐振频率附近振动，在探针和样品之间测量相互作用的变化。
谐振模式可以获得高分辨率的表面形貌和弹性性质。
三、原子力显微镜在材料分析中的应用原子力显微镜在材料科学领域有广泛的应用，可以用于表面形貌观察、力学性质测量、电学性质研究等方面。
1.表面形貌观察：原子力显微镜具有高分辨率，可以实现对表面纳米结构的直接观察。
通过扫描样品表面，可以获取材料表面的形貌、粗糙度和形貌特征等信息。
2.力学性质测量：原子力显微镜可以通过测量探针和样品之间的相互作用力来获得样品的力学性质。
原子力显微镜-仪器百科
一、原子力显微镜简介原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM），一种可用来研究包括导体、半导体和绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。
它的横向分辨率可达0.15m，而纵向分辨率可达0.05m，AFM最大的特点是可以测量表面原子之间的力，AFM可测量的最小力的量级为10-14-10-16N。
AFM还可以测量表面的弹性，塑性、硬度、黏着力等性质，AFM还可以在真空，大气或溶液下工作，也具有仪器结构简单的特点，在材料研究中获得了广泛的研究。
它与其他显微镜相比有明显不同，它用一个微小的探针来”摸索”微观世界，AFM超越了光和电子波长对显微镜分辨率的限制，在立体三维上观察物质的形貌，并能获得探与样品相互作用的信息，典型AFM的侧向分辨率（x，y）可达到2nm，垂直分辩牢（方间）小于0。
1mmAFM具有操作客易、样品准备简单、操作环境不受限制、分辨率高等优点。
二、原子力显微镜的基本原理AFM中为检测出表面力而精细加工的感知杠杆使用了一端支撑的微小弹簧板。
在感知杠杆的尖端有半径几十纳米、非常尖的小探针，感知杠杆从试件表面受到探针的作用力变形。
感知杠杆的弹性系数K 一般为已知，通过用隧道电流或激光束偏移，来检测感知杠杆在Z方向上的微小位移△Z，可知作用在探针一表面之的局力（F=K△Z）。
一边测定该力，一边对试样进行机械的二维扫描，就能得到试样表面力的二维像。
为保持力的信号稳定，一边控制试样Z方向的位置，一边扫描试样，记录各点的移动量，就可以得到三维的精细形貌像。
图1当探针尖和试件表面的距离缩小到纳米数量级时，探针尖端原子和试件表面原子间的相互作用力就显示出来，由于原子间距离缩小产生相互作用，造成原子间的高度势垒降低，使系统的总能量降低，于是二者之间产生吸引力（范德华力），如果两原子间距离继续减小接近到原子直径量级时，由于两原子间的电子云的不相容性，两原子间的相互作用为排斥力（库仑力），原子力显微镜就是通过检测探针尖和试件表面原子间的相互作用力而进行测量的。
原子力显微技术专利综述
原子力显微技术专利综述原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是近代发展起来的扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy，SPM）家族中应用最为广泛的一员。
随着人类对于探求微观世界的欲望越来越强烈，AFM将成为科学研究中必不可少的测试手段。
本文将对与AFM相关专利申请情况进行分析，并对AFM研究方向与前景作出预测。
标签：原子力显微镜；AFM；前景1 引言AFM通常通过探针与试样表面进行接触，并通过光学检测手段检测探针所在的微悬臂的形变量来获取试样表面的形貌。
AFM由于其分辨率高且可应用于液体环境下的特点，目前已被广泛应用在物理、生物、化学、航天等领域中[1-5]。
为了进一步扩大AFM的适用范围和提高AFM的测量精度，各国科技工作者都纷纷贡献出自己的力量，使原子力显微技术呈现出不同发展方向。
2 原子力显微技术专利申请情况分析本文以AFM为关键词以发明名称和关键词为检索入口，得到全球专利申请量年度分布情况。
在全球范围内，有关AFM的专利申请始于1986年。
随后，全球AFM的申请量呈现出多个发展阶段期。
例如，1986年至1990年是萌芽阶段，该期间全球申请量仅有23个，而从1991年开始全球专利申请量步入快速增长期，先从1991年的17个，快速上升到1994年的92个，并继续增长至1997年的165个。
在快速增长期后进入了一个回落期，首先降至1998年的149个，最后降至2001年的125个，与1997年相比降幅达到25%。
在回落期后，申请量又呈现二次增长期，从2001年至2008年申请量逐渐上升，至2008年全球申请量已达287件。
在该增长期后，全球增长量步入稳定期，自2008至2014年间，年均申请量为253.8件。
我国AFM专利申请始于1995年，申请量为1件，从1997年至今呈现出逐年增加的趋势，2014年我国关于AFM的专利申请量达到最大，为119件。
原子力显微镜
3) 针尖–试件间作用力和距离变化的非 线性，造成测量误差。
纯几何的测量误差
3.6 AFM的微悬臂和针尖
1. 对微悬臂和针尖性能的要求
针尖尖锐程度, 直接决定AFM测量的横向分辨率。理想针尖的尖端是单原 子，现在的商品针尖端曲率半径在100～50 nm，正努力希望能达到曲率半 径R = 10 nm或更小。 微悬臂应该对垂直于试件表面, 作用于针尖的Z向微弱力极为敏感，应该 可以检测到几nN力的变化，因此微悬臂在Z向的弹性系数k必须很小。 在扫描过程中, 针尖受摩擦力和横向力作用，因此要求悬臂有很高的横向 刚度以减少测量误差。 微悬臂的自振频率须足够高，以便在扫描检测时, 针尖能跟踪试件表面的 起伏。在典型测量中，扫描时轮廓起伏信号的频率可以达到几kH, 因此微 悬臂的固有频率必须高于10 kHz,这样才能测出正确的试件表面微观形貌。 由于微悬臂Z向弹簧常数k很小，要求的自振频率又较高，这决定了微悬 臂的尺寸（长度），必须很小，常用100μm量级，质量也必须很小，应小 于1 mg。
(tapping mode)
AFM的三种扫描成像模式
1）接触扫描成像模式
该方式所感知的力是接触原子的外层电子相互排斥的库仑力，这相互排斥的库仑 力大小在10－8～10－11 N。该方式可以稳定地获得高分辨率试件表面微观形貌图像， 有可能达到原子级的测量分辨率。其缺点如下： （1）检测弹性模量低的软质试件时，试件表层在针尖力的作用下会产生变形，甚至 划伤，这将使测出的表面形貌图像出现假象。 （2）在大气条件下，多数试件表面都吸附着覆盖层（凝集水蒸气，有机污染物，氧 化层等），厚度一般为几nm。当探针尖接触这吸附层时，毛细现象会使吸附层下凹， 或粘附到针尖上，引起额外的粘附力，增加了总的作用力，造成了检测成像的畸变。 （3）针尖和试件接触并滑行，容易使探针尖磨损甚至损坏。
原子力显微术的纳米尺度成像与表征功能在微循环研究中的应用
原子力显微术的纳米尺度成像与表征功能在微循环研究中的应
用
韩东
【期刊名称】《微循环学杂志》
【年(卷),期】2011(21)3
【摘要】@@ 纳米科学打破了传统意义上的学科分类理念,以特定空间尺度范围的客观世界作为研究对象,开辟了具有鲜明特点的研究领域.其中,纳米尺度成像与表征技术的发展与应用是该研究领域的核心内容.本文介绍原子力显微镜(AtomicForce Microscopy,AFM)的成像原理和工作模式及其适用于生物样品的纳米表征、操纵及微加工技术功能,并将其纳米尺度成像与表征方法应用于细胞学和微循环研究的新进展,从新的视角提出对相关临床医学的新认识,为最终实现"病台"与"实验台"的双重转化医学应用作出贡献.
【总页数】6页(P21-25,封4)
【作者】韩东
【作者单位】国家纳米科学中心,北京,100190
【正文语种】中文
【中图分类】R-331;R331.3+5
【相关文献】
1.应用原子力显微术表征细胞骨架形貌和测量中等纤维弹性模量的实验研究
2.肿瘤细胞的原子力显微术成像及表征研究
3.原子力显微术视域下足球发球技巧分析—
—评《原子力显微术及其应用》4.双模原子力显微术的纳米力学测量原理及其应用5.原子力显微术应用于生物纳米结构表征与测量的研究进展
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原子力显微镜简介杨延莲国家纳米科学中心2007.3.301.原子力显微镜的发展历史2.原子力显微镜的基本原理3.原子力显微镜的要素4.原子力显微镜的操作模式5.原子力显微镜的针尖卷积效应与图像假像6.原子力显微镜的应用进展•三维扫描控制•控制电路•振荡隔离系统•微悬臂形变检测方法•微悬臂的设计思想及制作方法•基本成像模式•派生成像模式•谱学模式原子力显微镜的发展历史mmμmnm10-910-610-3m肉眼可见光学显微镜扫描电镜扫描探针显微镜扫描I扫描IZI 一次扫描扫描示意图扫描隧道显微镜(STM)的发明和原理1982年，IBM 苏黎世实验室的G. Binnig 博士和H. Rohrer 博士及其同事们发明了STM氙原子在镍(110)表面排成的最小IBM商标铜(111)表面上的铁原子量子围栏搬走原子写“中国”铂表面上一氧化碳分子排成的“纳米人”铁原子在铜(111)表面排成的汉字原子力显微镜(AFM)的发明由于STM是利用隧道电流进行表面形貌及表面电子结构性质的研究，所以只能直接对导体和半导体样品进行研究，不能用来直接观察和研究绝缘体样品和有较厚氧化层的样品。
1986年Binnig、Quate和Gerber发明了第一台原子力显微镜1987年Quate等人获得了高定向热解石墨（HOPG）的高分辨原子图像1987年，Quate等人获得了高定向热解氮化硼（HOPBN）表面的高分辨原子图像，其中HOPBN是第一个用AFM获得原子分辨图像的绝缘体。
原子力显微镜的派生功能摩擦力显微镜（FFM）磁力显微镜（MFM）导电AFM（CAFM）静电力显微镜（EFM ）表面电势成像（SP imaging）扫描电化学显微镜（SECM）扫描电容显微镜（SCM）扫描热显微镜（SThM）这些新型的显微镜，都利用了反馈回路通过针尖和样品的某种作用（光、电、热、磁、力等）来控制针尖在距表面一定距离处扫描，从而获得表面的各种信息。
原子力显微镜的基本原理在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间的相互作用力，来研究待测物表面的形貌和物理化学特性。
AFM 利用的基本原理有几种典型的相互作用力可以作为AFM 的检测信号：范德华力，静电力、磁力等间歇接触恒力扫描恒高扫描ZF扫描示意图恒力和恒高扫描成像XZ Y计算机和反馈控制显示器针尖与微悬臂激光检测器样品压电陶瓷扫描管原子力显微镜的工作原理针尖和样品之间的力F 与微悬臂的形变Δz F ＝k ·Δz原子力显微镜的要素所谓压电效应是指某些晶体材料在受到机械力作用发生形变时，会产生电场，或给晶体加一电场时，会产生物理形变的现象。
PZT 压电陶瓷能简单地将1mV~1000V 的电压信号转换成十几分之一纳米到数微米的机械位移，完全满足SPM三维扫描控制精度的要求三维扫描控制压电三脚架压电陶瓷管双层压电晶片驱动的三脚架结构微加工的压电驱动器，可进行纵向、横向、垂直弯曲及扭转运动控制电路接触模式非接触模式间歇接触模式振动隔离系统提高仪器的固有振动频率和使用振动阻尼系统振动源：建筑物振动（10－100Hz ）通风管道、变压器和马达（6－65Hz ）人走动（1－3Hz ）声音等减震系统的设计：1－100Hz 之间的振动AFM 刚性的结构设计:尽可能高的共振频率fs 。
刚性越大，对外部减震系统的要求就越低，因为由刚体的固有结构阻尼产生的滞后损失可以有效地散逸外界振动。
振动隔离系统:固有频率越低，振动隔离效果越好。
•弹簧-阻尼系统•平板－弹性体堆垛系统•充气平台微悬臂形变检测方法针尖和样品之间的力F与微悬臂的形变Δz F＝k·Δz，其中，k为微悬臂的力常数1. 隧道电流检测法2. 电容检测法3. 光学干涉法4. 光束偏转法自由排斥吸引分辨率信噪比隧道电流高，Z向0.01nm低针尖的污染，热振动、热漂移抗噪音水平低灵敏度和信噪比都高，设备复杂光束偏转法较高，z向0.003nm高原理和技术简单，精度也较高，适用范围广电容法高，Z向0.01nm低光学干涉法高，z向0.001nm高微悬臂的设计--分辨率和噪音水平•很小的力常数一般为0.01～100 N/m微悬臂变形量的检测灵敏度可以达到nm 量级，这样针尖与样品之间零点几个纳牛顿（nN ）作用力的变化就可以被检测到•共振频率必须足够高，减小振动和声波的干扰(>10kHz)•微悬臂的长度要短，质量要小，以满足低力常数和高共振频率的要求•微悬臂要有较高的横向刚性•非固定端带有一个纵横比较高的尖锐针尖•光学偏转法检测微悬臂位移的仪器，要求微悬臂的背面有平滑的光学反射面SL EI f ρ42314.0=33LEI k =2257.957.9Mf LSf k ==ρ微悬臂的制作各种微悬臂SPM仪器的结构原子力显微镜的操作模式AFM的分类¾接触式原子力显微镜（contact AFM）：利用原子斥力的变化而产生表面轮廓。
¾非接触式原子力显微镜（non-contact AFM）：利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓。
¾间歇接触模式原子力显微镜（Intermittent-Contact AFM）：是接触与非接触两种模式的混合。
原子力显微镜的常见的几种操作模式z接触式AFM可能获得原子分辨图像。
z由于表面摩擦和粘滞可能会有假象。
z可能会使表面变形，针尖容易磨损钝化。
非接触式AFM一般是频率调制或者是相位调制，分辨率更高。
操作复杂，环境噪声干扰大，一般在真空中能够实现。
间歇接触模式AFM，可对软样品成像，由剪切力引起的分辨率的降低和对样品的破坏几乎消失。
克服了室温大气环境下大多数样品表面上薄液层的粘滞（Tapping，Dynamic AFM，MAC mode，Non－contact mode）间歇接触式原子力显微镜自由振荡表面接触振幅，频率，相位，微悬臂的偏转如组分、粘滞力、摩擦力、粘弹性、电、磁等性质的信息相位成像短程的相互作用包括粘滞力和摩擦力长程的相互作用包括电场力和磁场力。
相位敏感J. P. Rabe, Adv. Mater. 1998, 10, 793.静电力显微镜成像探测样品的表面电荷，表面电势，界面电势分布、器件失效分析等Paul L. McEuen,PRL,2000,84,6082磁力显微镜成像hh 抬高扫描轨迹主扫描轨迹磁盘摩擦力显微镜样品平面内纳米尺度的各向异性特征也可以与纵向的磁力、静电力等表征结合互相补充原子力显微镜的动态横向力模式TRmode LM-FFM力曲线的测量1256Z Displacement24533TouchingAdhesionNontouching64D e f l e c t i o n接触形变问题力常数测定问题接触形变接触形变理论—（1）Hertz理论假设：1）短程表面（粘附）力存在，但只作用于接触面积处。
2）允许局域变形/neck 的形成。
）（2）JKRS模型（Johnson-Kendall-Roberts-Sperling model）（3）DMT模型（Derjaguin-Muller-Toporov model）假设：1）表面力存在，并可波及接触面积之外的有限区域2）属于Hertzian形变，在界面处不形成neck。
AFM微悬臂力常数（k）的测定Hooke 定律：F = k Δz334LEbt k =•E 为微悬臂的杨氏模量，b 为微悬臂的宽度，t 为微悬臂的厚度，L 为微悬臂的长度•三角微悬臂近似为两根平行的长方形梁12几何尺寸计算法*mM k +=ω共振频率测定法M 为微悬臂本身的固有质量，m*为固定于微悬臂顶端的胶粒的重量AFM微悬臂力常数（k）的测定2202212q m m p H ω+=q 为谐振子偏离平衡位置的位移，p 为谐振子的动量，m 为谐振子的等效质量，为谐振子的共振角频率4热噪声谱在温度为T 时，T k q mw B 2121220=一谐振子，弹性常数k 和共振频率满足k=m ω022qTk k B =20ωΔZ3偏移平衡位移每次针尖与样品接触时，成键分子数可能不同，因此测得的力并不一定相同。
D e fle ctio n /nm Co u n t-5510152253035400510152025高斯统计Adhesion Force力滴定曲线粘附力的高斯统计。
取最可几值。
化学键、配受体作用、DNA双螺旋的互补作用、细胞间的粘附力等。
键能、结合能测定分子识别生物体系中的相互作用蛋白质变性原子力显微镜的针尖卷积效应与图像假像W/2RH硬球几何模型针尖去卷积AFM横向分辨率：针尖形状，像素数AFM图像的假像针尖污染多针尖扫描管非线形针尖不能跟踪表面原子力显微镜的应用进展SiFranz J. Giessibl, PNAS 2003, 100, 12539Franz J. Giessibl, Science , 2000,289, 422HOPG FM-AFM 的原子和亚原子分辨KClYamada, APL 2005相位调制AFMIn AM-AFM, detection signalΔA.both conservative and dissipative interaction forces, topographic artifacts.The time response of A becomes slower with increasing Q factor.In FM-AFM, detection signalΔfthe time response of f is not influenced by the Q factor.capable of measuring the conservative and dissipative interaction forces independently.A stable self excitation requires a clean cantilever deflection signal and, hence, can be disrupted by the occasional tip crash or adhesion.In PM-AFM, detection signalΔfStable imaging even with the occasional tip crash or adhesion to the surface. time response is not influenced by the Q FactorCapability of imaging atomic-scale features of mica in water.Rev. Sci. Instru，2006，77，123703AFM of bacterial surface layersAFM image of the S-layer of Bacillus sphaericus CCM2177 imaged in contact mode under water. The center-to-center spacing of the morphological units is 13.1nm.单分子力谱Gaub，Science paperAu-Pd 合金上刻写的世界上最小的唐诗（10 µm ×10 µm ）-----AFM机械刻蚀技术硅（111）面上的氧化硅纳米柱阵列⎯AFM 纳米氧化刻蚀技术石墨上的金纳米点阵列（2 µm×2 µm ）----AFM场致蒸发技术Si 表面氧化加工。