原子力声学显微镜

2016年6月30日，日立原子力显微镜应用技术研讨会在上海举行，来自北京、上海、南京等地区的20多位专家学者参加了此次技术研讨会。会议前后，日立原子力显微镜应用工程师在中科院上海硅酸盐研究所对用户进行了系统的应用培训。　　此次研讨会邀请到了中科院上海硅酸盐研究所的曾华荣研究员做了题为《高分辨扫描探针压电-声学-热学显微术及其应用研究》的报告，介绍了其在铁电材料研究中对于日立高分辨型原子力SPA-400及日立环境型原子力显微镜AFM5300E的应用心得。日立高新北京分公司总经理加藤博司先生、天美公司上海分公司总经理顾家晖先生分别致辞，日立原子力显微镜全球应用中心山冈武博博士，日立高新北京分公司罗琴女士，天美公司原子力应用工程师周海鑫博士等人参与了研讨会。　　日立高新北京分公司总经理加藤博司先生在致辞中介绍了日立原子力的发展历程，并对日立原子力显微镜的发展规划向与会学者做了介绍。天美公司上海分公司总经理顾家晖先生对于日立原子力显微镜的市场发展情况进行了回顾，并对日立原子力显微镜日后的发展表达了美好的祝愿。　　中科院上海硅酸盐研究所曾华荣教授结合其在铁电畴领域的应用，对压电响应显微术、扫描探针声学显微术、扫描热学显微术、扫描热电显微术等先进探针显微术的特点进行了介绍，扫描探针压电-声学-热学联用研究的方式引起了与会学者的极大兴趣。　　日立原子力显微镜全球应用中心山冈武博博士针对日立环境可控型原子力显微镜AFM5300E的特点，介绍了AFM5300E在力学、磁学、电学等方面的应用。AFM5300E可调节密闭样品仓中的温度、湿度，并可使样品处于真空或者气氛保护条件下进行原子力测试。山冈博士将日本运用AFM5300E取得的最新科研成果向大家做了分享。　　天美公司原子力应用工程师周海鑫博士介绍了日立原子力的产品线，对于高分辨型AFM5100N、环境可控型AFM5300E以及最新发布的全自动化原子力显微镜AFM5500M的特点和应用做了详细的介绍。　　最后，日立高新电镜应用工程师罗琴女士对于日立扫描电镜-原子力的联用方案进行了介绍。日立高新在扫描电镜领域拥有丰富的经验，原子力显微镜产品线的加入实现了SEM-SPM同位置同气氛保护方面的联用，为科研工作者提供了更加丰富的科研解决方案。日立高新与天美公司会继续以支持中国科技发展为己任，不断开发高性能仪器，为广大科研工作者提供更加优质的服务。关于天美：　　天美(控股)有限公司(“天美(控股)”)从事表面科学、分析仪器、生命科学 设备及实验室仪器的设计、开发和制造及分销 为科研、教育、检测及生产提供完整可靠的解决方案。继2004年於新加坡SGX主板上市后，2011年12月 21日天美(控股)又在香港联交所主板上市(香港股票代码1298)，成为中国分析仪器行业第一家在国际主要市场主板上市的公司。近年来天美(控股)积极 拓展国际市场，先后在新加坡、印度、澳门、印尼、泰国、越南、美国、英国、法国、德国、瑞士等多个国家设立分支机构。公司亦先后收购了法国 Froilabo公司、瑞士Precisa公司、美国IXRF公司、英国 Edinburgh Instruments公司等多家海外知名生产企业和布鲁克公司Scion气相和气质产品生产线，加强了公司产品的多样化。　　更多详情欢迎访问天美(中国)官方网站：http://www.techcomp.cn

2016年6月30日，天美（中国）科学仪器有限公司与日立高新技术公司，联合中科院上海硅酸盐研究所，共同举办日立原子力显微镜最新应用技术研讨会，期待您的莅临。　　2012年5月，日立高新科技公司全资收购精工电子有限公司子公司精工电子纳米株式会社，这其中包括了精工的原子力显微镜业务。近年来，日立高新在秉承精工原子力原有品质的基础上，积极创新，不断完善原子力产品线，相继更新了高分辨率型AFM5100N、环境可控型AFM5300E和大样品仓型AFM5400L，并在全球范围得到了市场的认可。　　2016年3月，日立高新隆重推出了最新的原子力产品AFM5500M，日立最新一代原子力显微镜AFM5500M采用了全新设计的低噪音闭环压电陶瓷扫描器，在实现200μ m大范围扫描同时也能保证较高的图像平整度，避免球面误差和正交耦合效应。AFM5500M拥有自动更换探针、自动调节激光光路、自动参数设置等一系列全新的自动化设计，极大的提高样品的测试效率，为使用者带来便捷的感官体验。　　藉此研讨会之际，我们邀请到日立原子力全球应用中心工程师山冈 武博先生，介绍日立原子力产品的最新应用和最新解决方案。会议还将邀请中科院上海硅酸盐研究所曾华荣研究员做特邀报告。会议内容详实丰富，将是一场难得的信息盛宴，相信您一定会不虚此行。会议期间还将安排仪器现场参观，以便您对日立原子力显微镜的特点有更直观、更深刻的了解。　　在此，天美公司携手日立高新共同向您发出诚挚的邀请，热忱欢迎您的莅临！ 时间： 2016年6月30日（星期四）下午14:00-18:00地点： 上海巴黎春天新世界酒店 三楼 钻石3号厅酒店地址：中国上海市长宁区定西路 1555号会议议程14:00～14:15 致辞 日立高新技术公司北京分公司总经理 加藤 博司 先生天美公司上海办事处总经理 顾家晖 先生14:15～15:30 日立原子力显微镜最新应用主讲人：日立原子力显微镜全球应用中心工程师 山冈 武博 博士15:30～16:00 高分辨率扫描探针压电—声学—热学显微术及其应用研究主讲人：中科院上海硅酸盐研究所研究员 曾华荣 先生16:15～16:45 日立原子力产品链及AFM5500M介绍主讲人：天美公司电镜产品经理 周海鑫 博士16:45～17:15 日立FE-SEM&IM应用介绍讲解人：日立高新技术公司电镜应用工程师 罗琴 女士17:15～17:45 上海硅酸盐研究所日立AFM5300E参观18:00 晚宴关于天美：　　天美(控股)有限公司(“天美(控股)”)从事表面科学、分析仪器、生命科学 设备及实验室仪器的设计、开发和制造及分销 为科研、教育、检测及生产提供完整可靠的解决方案。继2004年於新加坡SGX主板上市后，2011年12月 21日天美(控股)又在香港联交所主板上市(香港股票代码1298)，成为中国分析仪器行业第一家在国际主要市场主板上市的公司。近年来天美(控股)积极 拓展国际市场，先后在新加坡、印度、澳门、印尼、泰国、越南、美国、英国、法国、德国、瑞士等多个国家设立分支机构。公司亦先后收购了法国 Froilabo公司、瑞士Precisa公司、美国IXRF公司、英国 Edinburgh Instruments公司等多家海外知名生产企业和布鲁克公司Scion气相和气质产品生产线，加强了公司产品的多样化。　　更多详情欢迎访问天美(中国)官方网站：http://www.techcomp.cn

2011年3月7-14日，中科院上海硅酸盐研究所研制的纳米热学-声学显微镜成像系统亮相国家“十一五”重大科技成就展，并引起了业内人士、专业媒体多方面关注。据了解，该项目负责人殷庆瑞研究员以自行研制的材料和器件为核心技术，已成功研发出多台具有自主知识产权的大型科学仪器设备，如扫描电声显微镜(SEAM)、扫描探针声学显微镜(SPAM)、扫描热学显微镜(SThM)、激光-光声测量仪、超声雾化器等。 　　其中，扫描电声显微镜创新性地将电子显微术(SEM)与声学显微术(SAM)“合二为一”，被称为该领域全球唯一成熟的商品化扫描电声显微镜，现已荣获国家技术发明二等奖、国际工业博览会银奖以及中科院自然科学一等奖等殊荣。目前，该款仪器已成功更新至第IV代，分辨率达到200nm，在国内相关的企事业单位得到了实际应用，并出口到美国、德国、日本、台湾、新加坡等地，成为“我国大型科学仪器出口到发达国家和地区的一个成功范例”。 　　近日，仪器信息网就声学显微镜成像技术与仪器的研制、应用、产业化等问题，专门采访了中科院上海硅酸研究所殷庆瑞研究员。 中科院上海硅酸盐研究所殷庆瑞研究员 潜心数载攻难关 成功研发世界先进水平扫描电声显微镜 　　扫描电声显微镜是一种多功能、高分辨率的显微成像仪器，兼具电子显微术高分辨率和声学显微术非破坏性内部成像的特点，拥有广阔的市场应用前景。殷庆瑞研究员瞄准市场需求，创造性地把电子光学技术、弱信号检测技术、图像处理技术及计算机技术有机融为一体、先后研制出具有自主知识产权的四代扫描电声显微镜，并获得国内外多项大奖。 　　对于扫描电声显微镜的研发初衷，殷庆瑞研究员回忆到：“1979-1981年，我被派往英国牛津大学的Clarendon实验室和材料系做访问学者。在那里，我发现同行们都是自行研制仪器做科研，发现的物质结构或实验结果也颇具创新性。相比之下，国内大多是购买现成仪器搞科研，实验结果自然也雷同，很难有创新的成果。因此我决定回国后要结合具体的科研工作，按照自己的新思路，研发新仪器、建立新方法。 　　“回国后，我最开始研制成功的是激光-光声测量仪，为定量表征薄膜压电性能、功能陶瓷弱相变行为和自发极化剖面分布提供了新技术，解决了当时薄膜材料性能表征的关键技术难题，获得了中科院自然科学奖二等奖。之后，我又研发出了超声雾化器，在日化工业、陶瓷制备方面得到了成功应用。” 扫描电声显微成像系统 　　在提到扫描电声显微镜的研发历程时，殷庆瑞研究员则说到：“在国家‘863’计划的支持下，我们课题组1988年在国内率先开展了扫描电声显微镜及其相关器件、材料、成像理论和应用研究，这几乎与国际同步。随后几年，整个研发团队潜心研究，攻克各类技术难关，终于研制出了扫描电声显微镜。截至目前，我们已先后完成了SEAM-I型、II型、III型、IV型四代电声成像系统的研制，分辨率已达到200nm，总体技术指标和功能均处于世界先进水平。” 　　同时，殷庆瑞研究员补充到：“扫描电声显微镜可以用‘二合一’来形容，既能利用电子束探测物质的表面信息，又可以借用声波记录下物质的内部模样，兼具电子显微术高分辨率和声学显微术非破坏性内部成像的本领，可原位同时观察基于不同成像机理的二次电子像和电声像，实现‘二合一’！” 　　这项成果成功将电子显微术、声学显微术、数字信号处理和高灵敏度传感技术相结合，现拥有4项国家发明专利和一项国外发明专利， 更是荣获了2005年度国家技术发明二等奖、2006年度国际工业博览会银奖以及2010年度中科院自然科学一等奖。 积极推进商品化 成为我国大型仪器出口成功范例 　　近年来我国科技经费投入持续增长，每年取得的科技成果有3万多项，但多数成果却陷入了“成果-证书-鸡肋”的尴尬状况。虽然目前科学成果商品化面临诸多问题，但也有不少成功范例，殷庆瑞研究员扫描电声显微镜的成功商品化便是其中之一。据悉，目前该项成果已被推广到国内外数十家单位，被誉为“全球唯一成熟的商品化扫描电声显微镜”。 　　科研成果要实现商品化，自然离不开应用开发。据殷庆瑞研究员介绍，扫描电声显微镜的横向分辨率、纵向分辨率、探测器灵敏度以及图像质量均处于国际领先水平，在评价电子陶瓷、金属、半导体、无机材料、复合材料以及功能器件时能够获得常规手段难以得到的信息，彰显了扫描电声显微成像技术在信息产生、检测和显示等方面的独特优势，当年前来访问的德国乌帕塔大学电子光学系主任巴克先生与新加坡国立大学电子光学专家彭教授也被这一独特优势深深折服。 　　殷庆瑞研究员介绍：“目前，国内外科学家正是通过使用我们的扫描电声显微镜在各自研究领域内已获得了许多重大的新发现。例如，德国科学家Kohler博士首次在马氏材料上发现了铁磁畴结构及其相应的机理解释；日本筑波大学Kojima教授则首次获得了蝶形BaTiO3晶体电畴结构电声像；美国宾州大学Hang He博士和Ruyan Guo教授在不同材料上获得了铁弹畴、180°反平行周期结构畴的复合畴形态的电声像，并认为电声成像技术是研究功能材料机电耦合效应的一种独特方法；清华大学彭海东博士则观察到了金属-陶瓷复合涂层表面和亚表面显微结构的电声像。正是利用扫描电声显微镜独特的成像机理获得诸如此类的应用成果不胜枚举，而这么多的成功应用又极大地推动了扫描电镜的商品化进程。” 　　对于扫描电声显微镜的产业之路，殷庆瑞研究员谈到：“最初在仪器研发成功后，我们只是停留在一种‘自给自足’状态，并没有真正地实现规模化生产，也没有主动去开拓市场。后来通过国内外的学术交流，我们收到了第一张订单，而对方竟来自电子显微镜的诞生地和主要产地——德国，这极大地鼓励了我们要把样机商品化的信心，尤其在近几年，中科院一直强调科研创新以及‘产学研用’合作。因此，我们积极与上海市高新技术成果转化服务中心联系，并与国内几家仪器公司建立了合作关系，共同推进扫描电声显微镜的商品化。而在厂商接手过程中，我们也并没有撒手不管，听之任之，而是从实验数据、应用开发再到技术培训、售后维修，我们都全程参与。双方互相信任，通力协作，推动了科研成果向产业化发展。” 　　我国大型科学仪器历来依靠进口，而随着扫描电声显微镜的技术升级与商品化成熟，“中国创造”的扫描电声显微镜在中国大陆、台湾、美国、德国、日本、荷兰、新加坡等发达国家和地区的实验室里都能够找到，被誉为“我国大型科学仪器出口到发达国家和地区的成功范例”。 超越“二合一” 实现电-声-热显微镜一体化 　　当今材料科学朝着纳米及精细复合方向发展，功能器件则越来越小型化、集成化，这就对材料及功能器件的评价表征方法提出了日益严峻的考验；为应对这一挑战，殷庆瑞研究员课题组“二合一”的科研工作还在一直持续着，已成功研制出扫描探针声学显微镜与扫描热学显微镜，现正在研发电-声-热显微镜“三合一”技术。 　　近年来，在扫描电声显微镜的基础上，殷庆瑞研究员又带领课题组突破传统声学成像技术的概念，成功研发了低频(300Hz-3KHz)、高分辨率(10nm)扫描探针声学显微成像(SPAM)，使低频声学成像技术拓展到了纳米级分辨率水平。 　　对此，殷庆瑞研究员表示：“原子力显微镜(SPM)只能用于检测材料表面，而声学显微镜却可以用于材料的缺陷分析、电子结构、微区弹性等性能测试方面。随着纳米技术深入发展，我和我的团队想到了将声学技术与原子力显微镜结合，研发出了扫描探针声学显微镜。这项成果可以克服现有SPM只能获得材料表面结构和性质的不足，实现了材料表面及亚表面结构和物性的原位实时检测，在微、纳米材料和器件无损分析方面的应用前景十分广阔。目前，该仪器已被日本国家材料研究所、德国应用科学技术大学、北大、清华、南大等知名院校纷纷选择使用。” 　　而扫描热学显微镜(SThM)则是殷庆瑞研究员继SPAM之后对扫描探针显微术的又一项重大突破。该仪器主要利用材料的温度、热导率等变化进行成像，从而获得样品表面热分布和相关热物理性质的一种微纳米尺度的测试技术，适用于材料微区的热学性能表征。 　　殷庆瑞说到：“目前，国外科学家已分别研制出原子力显微镜与电、光、磁3种技术分别结合的显微成像仪器。而我们之前已研发出了扫描探针声学显微镜，因此把目光投向了扫描热学显微镜。在国家‘973’计划的支持下，我们在2010年成功研制出了扫描热学显微镜，目前在微电子器件、材料等领域已得到了日益广泛的应用。” 扫描探针近场压电-声学-热学显微成像系统 　　最后，在谈到课题组下一步的研发计划时，殷庆瑞研究员提出：“我们打算研发电、声、热一体化的扫描电镜，更加集成化、综合化、实用化，而这也是当今科学仪器发展的一个大方向。我相信，这款仪器将更加适用于物质介观和微观层次上的特性表征，对相关材料、器件与显微成像技术领域的发展，也将是一个极大地推动作用。” 　　后记： 　　美国NASA高级材料物理专家John博士曾这样评价，中科院上海硅酸盐所这个团队在电声成像的研究和应用方面已经成为世界的领导者。他们把电声成像扩展至实用阶段，而这项工作对该领域的影响是深远的。 　　的确如此，殷庆瑞研究员课题组将理论研究、材料制备器件设计、仪器研制与实际应用相结合，开发出独具特色的“二合一”新仪器，并积极推进相关科研成果的商业化，取得了一定的经济效益和良好的社会效益。因此我们有理由相信，殷庆瑞研究员和他的团队下一个“电-声-热显微镜一体机”必将在日益发展的纳米科学时代能够“大放异彩”! 　　采访编辑：刘玉兰 　　殷庆瑞研究员个人简介： 　　殷庆瑞研究员，1965年毕业于东南大学(南京工学院)无线电工程系。同年9月分配至中国科学院硅酸盐研究所工作至今。期间，1979-1981年在英国牛津大学Clarendon物理实验室访问学者，1989年在日本东京大学应用化学系客座研究员，2003年在德国乌帕塔大学电子工程系访问教授。 　　他主要从事电子陶瓷材料物理性能、器件设计以及光声学、电声成像和扫描探针声学显微术方面的研究。他在国内外重要刊物上已发表论文300余篇，专著两本(80余万字)，英文版专著一本(Spring )，译著两本。获得国家技术发明二等奖、三等奖各一项，国际工业博览会银奖一项，中国科学院自然科学一等奖、二等奖各一项，中国科学院科技进步一等奖一项、省部级三等奖两项，国内外专利十余项。 　　他曾兼任同济大学教授、香港理工大学智能材料中心国际顾问委员会委员、国家基金委员会重大项目首席科学家、国家“863”计划新材料领域专家委员会委员、美国IEEE高级研究员、亚洲铁电学联合会理事、亚洲电子陶瓷联合会理事和国际铁电学杂志编委等学术职务，并当选美国纽约科学院院士和国际陶瓷科学院院士。 　　他曾先后获得上海市劳动模范、全国“五一”劳动奖章、国家“863”计划十五周年先进个人、中国科学院研究生院杰出贡献教师等荣誉称号。 　　他曾担任过中国科学院硅酸盐所科技处处长、所长助理和副所长，以及中国科学院无机功能材料开放实验室以及国家重点实验室学术委员会副主任等职务。

p 　　据斯坦福大学官方消息，7月6日，声学扫描显微镜与原子力显微镜显微镜的发明者Calvin F. Quate在加利福尼亚州门洛帕克(Menlo Park)的家中去世，享年95岁。其发明的显微镜以前所未有的分辨率打开了活细胞研究的微观世界。 br/ /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 552px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201907/uepic/1308886b-bce7-45c5-8422-3403d2778078.jpg" title=" 0.jpg" alt=" 0.jpg" width=" 450" height=" 552" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong Calvin Quate, 1923-2019 /strong /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(127, 127, 127) " (图片来源: L.A. Cicero) /span /p p 　　Quate是一名电气工程师，他发明了改变科学的先进显微镜。1978年，他发明了声学扫描显微镜(scanning acoustic microscope)，利用高频声波对被观察的物体施加温和的压力。声学显微镜和光学显微镜一样灵敏，但又足够精密，可以测量活细胞的内部结构、密度、弹性和黏度，而不会对细胞造成损伤。 /p p 　　在20世纪80年代中期，Quate和来自IBM的合作者推出了原子力显微镜(atomic force microscope)，它改变了新兴的纳米技术产业，能够检测固体材料中先前难以察觉的表面细节。使用类似于留声机针头的纳米级探头对固体表面施加恒定压力，原子力显微镜能够提供比当时最好的光学显微镜分表率提升1000倍的3D图像，同时也保持声学扫描显微镜的温和性 /p p 　　光子科学教授、Quate在应用物理系的长期同事Bob Byer回忆道，在原子力显微镜发明前的几个月，Quate手绘的原子力显微镜原理图和笔记一直挂在斯坦福大学金兹顿大厅(Stanford’s Ginzton Hall)的黑板上。他还记得Quate冲进他办公室的那一天，Quate大喊:“成功了!成功了!” /p p 　　Quate是一位备受推崇的科学家，获得了众多国际专业荣誉，美国国家科学奖章(National Medal of Science),卡夫奖(Kavli Prize),光电子等级奖(Rank Prize for Opto-Electronics)和IEEE荣誉勋章(the Medal of Honor from the IEEE)。1970年当选为美国国家工程院院士，1975年获得美国国家科学院奖，1995年获得英国皇家学会奖。同年，《R& amp D》杂志编辑部将Quate评为“年度科学家”，称他为“声学和原子力显微镜背后的天才，也是价值1亿美元的仪器行业的灵感来源”。 /p p 　　在斯坦福大学校园里，Quate以和蔼可亲、温和谈吐著称，只有在被问及意见时，他才会以最温和的方式给出建议。 /p p 　　“Quate是一个特别的人，” Byer回忆道，“他用很少的话赢得了尊重，大家也十分愿意听取Quate的建议。” /p p 　　 strong 受人尊敬的领袖 /strong /p p 　　Calvin F. Quate于1923年12月7日出生在内华达的贝克(Baker, Nevada)。在那里，Quate学会了骑马，在山艾树和松树之间放羊。1934年，他举家迁往犹他州盐湖城。1944年，Quate在二战后期从犹他大学获得电气工程学士学位。毕业后不久，他被通用电气(General Electric)选中，加入田纳西州绝密的橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)工作，该工作也是曼哈顿计划(Manhattan Project)的一部分。 /p p 　　战争结束后，Quate进入斯坦福大学攻读博士，并于1950年获得博士学位。随后，他加入贝尔电话实验室的技术研究人员，从事微波研究，最终晋升为电子研究副主任。1959年，他接受了桑迪亚公司的一个职位，并于1960年被任命为该公司的副总裁兼研究主任。 /p p 　　接下来，Quate于1961年加入斯坦福大学，担任应用物理和电气工程教授。在那里，他奉献了他职业生涯的余生。Quate曾在1969-72年和1978-81年两个独立的时期担任应用物理系的系主任。1972年至1974年，担任人文科学学院副院长。1986年至1988年，担任电气工程系系主任。1985年，他被任命为爱德华兹教授(Edwards Professor)，成为工程风险基金(Engineering Venture Fund)资助的首位主席。 /p p 　　工程学院前院长Jim Gibbons表示:“他在这些职位上的工作方式体现了典型的加州风格——深思熟虑，很少说话，他在大多数学术管理问题上的立场可以用两句简短的话来表述:‘我们需要这样做吗?’或者‘我来做。’我很荣幸认识他，我会非常想念他。” /p p 　　Quate的妻子Arnice Pearl Streit与Quate结婚23年，曾任斯坦福大学人文科学学院前财务副院长 女儿包括加利福尼亚州圣马特奥的San Mateo，华盛顿弗农山的Rozwin Liera，加利福尼亚纳帕的Holly Quate，和加利福尼亚州圣地亚哥的Rhoda Quate 另外妻子Arnice前一段婚姻的三个孩子：意大利佛罗伦萨的Chris Guerrini，加利福尼亚州圣何塞的Carol Bauer，和加利福尼亚州萨克拉门托的Richard Streit。Quate还有三个孙子和三个曾孙。他的第一任妻子Dorothy(Marshall)Quate于2017年去世。 /p p 　　纪念捐款可以以Calvin F. Quate的名义捐给斯坦福大学应用物理系或电气工程系。 /p p 　　其家人计划举行一次私人追悼会。斯坦福大学的追悼会正在筹划中，详情将随后公布。 /p

Park纳米科学原子力显微镜系列讲座培训一原子力显微镜在纳米研究中的应用：AFM的成像原理2021年5月25日(周二)北京时间下午3:30-4:30原子力显微镜(AFM)作为扫描探针显微镜家族的一员，具有纳米级的分辨能力，其操作容易简便，是目前研究纳米科技和材料分析的最重要的工具之一。此外原子力显微镜还具有摩擦性能，纳米机械性能和电学性能等高级性能。 在本研究中，我们将讨论接触模式、非接触模式和轻敲模式等原子力显微镜使用中的不同操作模式；内容将概括到从原子力显微镜测量中常用的原子相互作用的基本理论，到原子力显微镜的主要硬件组成。本讲座还将讨论各模式的关键点(如设定值、反馈)。 在接触模式下，系统会给探针恒定的力作为设定的基准点也就是设定点来物理接触样品。扫描期间为了维持这个设定点而进行反馈。在三种模式中，原理相对简单。然而，由于接触模式很容易对针尖和样品造成损伤。相比之下，非接触模式允许在不接触表面的情况下进行形貌测量。因此，可以很好地保护针尖和样品。轻敲模式与非接触模式原理相似，在扫描过程中，探针轻触样品表面，以获得测量材料属性分布的额外信息(例如模量分布)。 本次讲座主要针对AFM原理的基础知识，帮助大家了解探针和样品之间的相互作用。由三种模式测出的图像对比也将在讲座中呈现。报告人 : Park原子力显微镜应用科学家Chris Jung Chris Jung, is an Application Scientist for Park Systems Korea - Research Application Technology Center (RATC) department. He received his Master’s degree in Physics from the Kyung Hee University, and his Bachelor’s degree in Physics from Dankook University in South Korea. His major project includes Evaluation of Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) at the perspective of resolution.Park原子力显微镜系列讲座列表（5月-9月） 想了解更多详情，请关注微信公众号：Park原子力显微镜 400电话：400-878-6829 Park官网：parksystems.cn

仪器信息网讯 2021年6月25日，Park帕克原子力显微镜公司(以下简称为“Park”)宣布推出一款重量级的全新系列原子力显微镜——Park FX40！该原子力显微镜集全自动技术、安全性能、智能学习等人工智能软件一体化，并描述之为“世界首台能够自动化所有前期设置和扫描过程的智能型原子力显微镜（AFM）”，Park FX40或将为研究界带来全新体验。全新型原子力显微镜Park FX40“与Park推出的前几代AFM系列不同，Park FX40自行负责了扫描前和扫描期间的所有设置，包括自动换针、探针识别、激光校准、样品定位以及近针和成像优化等操作。”Park全球产品研发部门副总裁Ryan Yoo评论道，“Park FX40兼有最新的人工智能技术和Park领先于半导体行业且价值百万美金的自动化技术，所以可以轻松自主执行上述任务。”Park FX40中文版预告视频于近日全球首播：新的 Park FX40 原子力显微镜不仅是几十个新功能的组合和原件的再升级，它还在原有的设计基础上，进行了全面而彻底的改革，使得AFM 具备高级的自动化能力。福音来了！即便是未经专业培训的研究型科学家们也能通过该显微镜轻松快捷地完成扫图过程，而专业的研究人员更可以将选择和正确装载探针的时间节省下来，以专注于他们更擅长的领域。除此之外，Park FX40还彻底升级了AFM的许多关键方面，其中包括采用尖端的机电技术极大降噪，减少束斑大小，调整光学视野，以及多功能嵌入样品台等。“作为研发的新品，Park FX40的强大功能来源于其他AFM迄今为止从未使用过的全新技术。”Yoo补充道。“我们很高兴能成为北美第一个体验Park FX40原子力显微镜的研究所。”哥伦比亚大学机械工程系的James Home教授发言道，“这款FX40增加了许多新功能并且升级了很多特性。作为Park的长期用户，我们对此感到非常兴奋和激动。这款FX40在人工智能和自动化技术上都实现了崭新的突破。我相信它可以极大地提高我们实验室的研究水平，并且推动整个纳米计量领域的创新。”Park FX 尖端的智能系统可以让用户在初始操作时同时放置多个样品（相同或不同类型），并将根据用户的需求进行自动成像。除此之外，该显微镜还能轻松及时地获取可发布的数据，并缩短研究周期来获得科学和工程上的最终成功。这些都有助用户实现更快更准的研究。 同时，Park FX40 独特的环境传感、自我诊断系统和避免头部碰撞的智能系统确保自身能够以更佳性能持续运行。据悉，在与全球原子力显微镜应用科学家们的密切合作下，Park产品市场部过去一整年都在不懈努力，潜心研发Park FX。“我们的科学家认识到AFM可以帮助研究人员获得前所未有的科学数据，并对纳米科学创新产生不可估量的影响。” Park公司的创立者，全球CEO朴尚一博士（Dr. Sang-il Park）评论道，“一直以来，我们都秉承着一颗赤诚之心来研发超级智能自动化的 Park FX 。因为我们的终极目标是为研究人员的工作保驾护航，帮助他们发现并打开科学更深处奥秘的大门！”在半导体市场，Park一直以其先进的自动化AFM 系统而闻名。它率先将AFM 技术作为纳米级计量的主要工具，使其成为行业的主流。而Park最新推出的Park FX也将为AFM创新领域开启新的篇章。关于Park帕克原子力显微镜公司Park公司成立于1988年，是全球第一个推出商业原子力显微镜产品的上市公司。Park公司成立30多年以来，始终致力于纳米领域的形貌、力学测量和半导体先进制程工艺的计量的新技术新产品的开发。Park独创的技术包括将XY和Z扫描器分离，实现了探针与样品间的真正非接触，避免形貌扫描过程中因探针磨损带来的图像失真，能够快速成像的同时还可以大大提高测试效率，降低实验测试成本等。Park公司成立至今，致力于开发新产品和新技术，旨在为客户解决各类技术难题，以提供最完善的解决方案。其原子力显微镜以高端的产品质量和快捷优质的售后服务受到广大客户的认可。为给中国客户提供更加高效便捷的售后服务， Park公司在中国区建立了售后服务中心并配有备件仓库。

对极限微观的不断探索源于人们原始的求知欲。国际度量衡制度的确立为我们指引了探索的方向。从米到毫米，从毫米到微米，从微米到纳米。当物质被我们不断地“劈碎”。越来越多新性质，新现象，新功能被发现。人们对自然的认识越来越深刻，对物质的操纵也越来越得心应手。 从二十世纪末开始，人类对微观的探索延伸到了纳米领域。在这个从仅比原子高一个层级的尺度范围内，物质展现了一种和宏观截然不同的状态和性质。表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应带来的是超高强度、超高导电性、超流动性、超高催化活性等等无与伦比的属性。 碳纳米管作为第一种人工合成的纳米材料，甫一问世，其超高强度就惊艳世人。它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是铁的10倍。 单壁碳纳米管高度（直径）测量在碳纳米管被研制出来以后，双壁碳纳米管、掺杂碳纳米管、复合碳纳米管等多种材料被源源不断制作出来。极小的尺度和样品多样性，迫切需要一种合适的检测工具。 在纳米尺度下，光学显微镜的分辨率早已鞭长莫及，电子显微镜则因为严格复杂的制样过程使测试门槛令人高不可攀，激光粒度仪对长径比过大的样品测试误差极大也不适合。这时，较合适的观测工具就是原子力显微镜。 原子力显微镜作为专门的纳米材料表征工具，天然具有高分辨率、高环境兼容性、多属性分析种种优势。 原子力显微镜观察的不同碳纳米管形态在生产中，因工艺不同，会产生长短粗细不同的碳纤维。如何有效对这些样品进行归类分析是个大问题。 不同工艺下碳纳米管分散状态借助岛津原子力显微镜配备的颗粒分析软件，则可以自动分析筛选，并对纤维的各种尺度进行统计分析。 极长和极短碳纳米管的自动分类统计同样，对于常见到的纳米材料——纳米颗粒而言，也可以依靠该软件进行统计分析。 纳米颗粒的粒径统计而且，利用原子力显微镜，还可以有效观察同样粒径下颗粒的不同形貌。例如以下两个颗粒，粒径均在100nm左右，如果用激光粒度仪测试，会被归为一类。但是用原子力显微观察，则可以发现很大的不同。 粒径近似的纳米颗粒聚集形态左侧的颗粒是单个粒子，二右侧的则是多个颗粒聚集形成的，在原子力显微镜的小范围观察图像中可以清晰分辨二者的不同。 但是，通常的原子力显微镜很难兼顾大视野和高分辨。要想同时观察统计大量颗粒，就需要用大范围观察，这样一来每个颗粒的细节分辨就难以看清。如果聚焦到一个颗粒上细致观察，则无法从整体上评估样品。 解决的办法就是提高原子力显微镜图像的分辨率。岛津推出了8192*8192点阵的高扫描能力。可以在大范围观察的同时又看清每一个小细节。 兼顾大视野和小细节的超大点阵扫描图像原子力显微镜作为人类眼睛的延伸，像一个精细的触手，细致地捕获纳米材料的形貌、机械性能、电磁学性能等等属性，使这个微乎其微的领域直观地展现在我们眼前，为我们更深更广地认识纳米材料提供了有力帮助。 文中相关仪器介绍详见以下链接：https://www.shimadzu.com.cn/an/surface/spm/index.html 本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

人类探索极限的脚步从未停止。为了看得更细，看得更清。列文虎克发明了显微镜，成为人类利用工具观察世界的肇始。 从此，光学成为显微镜的支配性规律。自十七世纪到二十世纪初，光学显微镜完成了几乎所有类型的研发、设计和定型。但因为衍射极限的发现，似乎提高观察的分辨率只有改进光源这一种路径。激光的发明成为光学显微镜在分辨率上最后的努力。 十九世纪初电子的发现，以及微观粒子的波粒二象性特性的揭示，成为了电子显微镜的基础。但是电子显微镜实际上可以看做光学显微镜在量子力学下的延伸。用加速电子束替代了传统光源，用磁透镜/静电透镜代替了透明介质透镜，可是几乎所有的理论结构都与光学显微镜一致。二十世纪三十年代电子显微镜被发明至今，其分辨率极致被提高到亚纳米级别，距离原子级分辨似乎只有一步之遥。 但是自然界被物理铁律支配，这一步似乎近在咫尺，但却云崖天隔。二十一世纪的电子显微镜已经进入了和二十世纪光学显微镜同样的境地，只能在不断改进各部件的精度中一丝一毫地改进图像，但无法跨越最后的鸿沟。 量子力学成为了新一代显微镜的理论基础。1981年，隧道扫描显微镜被发明，一种全新的显微镜横空出世。它不同于光学显微镜和电子显微镜，完全摆脱了对检测介质的依赖，以微粒间的作用（电、力）为检测信号，一举突破了原子级别的分辨率。随后在1985年被发明的原子力显微镜，更是将适用对象从金属和半导体拓展到所有的固体。 这是一种全新的显微方法和工具，从二十世纪八十年代末到九十年代初，全球各主要科技强国纷纷开展了扫描探针显微镜的研发。 OUR HISTORY岛津 也正是在这个时期，岛津开始涉足该领域。1991年，基于超高真空环境的隧道扫描显微镜AIS-900面世。 相对于在大气环境下的隧道扫描显微镜，真空环境是其工作环境更为简单，图像分辨率和清晰程度都更高，工作也更稳定。 虽然真空环境带来了分辨率的提高，但是同时也限制了样品的测试和操作的便利性。为此，1993年，岛津开发了兼容多种环境的WET-901，同时可以满足对大气环境、真空环境、特殊气氛、液体环境、电化学环境等不同要求。WET-901和随后的WET-9400代表着岛津敏锐地意识到，随着原子力显微镜的不断完善，微区观测技术必然会对原位分析产生重要的影响。因此，岛津持续不断地改进环境控制舱，应对不同时期科研领域的需求。 紧接着在1995年，岛津推出了成功的SPM-9500系列。二十世纪九十年代中后期是原子力显微镜大发展的时期，各种扫描模式从实验室走向实用。从1995年2001年，岛津SPM-9500系列也历经SPM-9500、SPM-9500J、SPM-9500J2、SPM-9500J3四个型号，不断吸收新的功能模式。同时，该系列具备的自动进针和头部滑动机构也在操作性上领先于其他竞争对手，这些特点使得该系列成为了一个长寿的产品。 随后的SPM-9600（2005年）、SPM-9700（2010年）、SPM-9700HT（2016年）基本都延续了SPM-9500的基本结构，通过不断改进控制器，提高分辨率，增加新功能，改善操作性。 在这个时期，商用原子力显微镜陷入了一个发展瓶颈，功能模式固化，应用领域受限，每个厂家都在不同的方向上尝试新的突破。有的厂商开始匹配半导体工业的需求，有的则在生命科学领域进行研发。 岛津也在思考什么才是原子力显微镜的发展根本？ 不识庐山真面目，只缘身在此山中。经过大量的思考和尝试，一切回归本源——分辨率。只有分辨率才是显微镜最核心的技术指标。于是在2014年推出了调频型原子显微镜SPM-8000FM并在2017年升级为SPM-8100FM。该系列最核心的技术是调频控制探针，利用频率对作用力的分辨率和反馈速度远高于振幅的特点，实现了在大气和液体环境中原子/分子级的分辨率。 利用调频模式对作用力的高分辨检测能力，还成功地将原子力显微镜的应用从固体表面观察拓展到固液界面的水合化和溶剂化作用。这项技术有助于电池和摩擦学等领域的前沿研究。 最近的十年，随着原子力显微镜对不同应用领域的拓展，新的技术和新的需求也在不断涌现。 岛津原子力显微镜将会如何应对新变化？又会开发什么新技术呢？ 一切尽在5月18日14:00由宏入微 顺手随心岛津SPM-Nanoa原子力显微镜在线发布会敬请期待！

原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是一种具有原子级别高分辨率的新型表面分析仪器，它不但能像扫描隧道显微镜（STM）那样观察导体和半导体材料的表面现象，而且能用来观察诸如玻璃、陶瓷等非导体表面的微观结构，还可以在气体、水和油中无损伤地直接观察物体，大大地拓展了显微技术在生命科学、物理、化学、材料科学和表面科学等领域中的应用，具有广阔的应用前景。1 原子力显微镜的工作原理1.1 基本原理AFM 进行表面分析的基本原理如下：AFM 中有一由氮化硅片或硅片制成的对微弱力极敏感的弹性臂，微悬臂顶端有一硅或碳纳米管等材料制成的微小针尖，控制这一针尖，使其扫描待测样品的表面，这一过程是由压电陶瓷三维扫描器驱动的。当针尖与样品表面原子做相对运动时，作用在样品与针尖之间的力会使微悬臂发生一定量的形变。通过光学或电学的方法检测微悬臂的形变，转化成为图像输出，即可用于样品表面分析。简单地说，原子力显微镜是通过分析样品表面与一个微弱力敏感元件之间的相互作用力来呈现材料表面结构的。1.2 工作模式（一）接触工作模式扫描时如果控制针尖一直与样品表面原子或分子接触，那么这种工作模式称为接触模式。在这一过程中，针尖原子与样品表面原子之间力的作用主要表现为是两者相接触原子间的互斥力（大小约为10-8-10-11 N）。接触模式下工作的原子力显微镜可得到稳定的、高分辨率的样品表面图像。但是这种工作模式也有它的不足之处：当研究易变形的样品（液体样品）、生物大分子等的时候，由于针尖与样品原子直接接触，会使样品表面的原子移动、粘附于针尖或者发生较大形变，从而造成样品损坏、污染针尖或者结果中出现假象。（二）非接触工作模式扫描时如果控制针尖一直不与样品表面的原子或分子接触，那么这种工作模式称为非接触模式。非接触工作模式下由于扫描样品时针尖始终在样品上方5-20 nm 距离范围内，针尖与样品间的距离较接触模式远，所以获得的样品表面图像分辨率相对接触模式较低。但正是这一距离也克服了接触模式的不足之处，不再会造成样品的损坏、针尖污染等问题，灵敏度也提高了。（三）间歇接触工作模式扫描时如果控制针尖间歇性的与样品表面的原子或分子接触，那么这种工作模式称为间歇接触模式，也称为轻敲模式，常通过振动来实现针尖与样品的间歇性接触。该模式下微悬臂的振动是由磁线圈产生的交流磁场直接激发的，针尖与样品表面原子作用力主要是垂直方向的，不再受横向力的影响。间歇接触工作模式集合了接触与非接触模式的优点，既减少了剪切力对样品表面的破坏，又适用于柔软的样品表面成像，因此特别适合于生物样品研究。2 原子力显微镜的组成AFM 的硬件系统由力检测部分、位置检测部分和反馈控制系统三部分组成。图1 所示为AFM 的工作原理图，从图中可以看出，AFM 就是通过集合以上三个系统来将样品的表面特性反映出来的：在AFM的工作系统中，使用由微小悬臂和针尖组成的力检测部分来感应样品与针尖间的作用力；当微悬臂受力形变时，照射在微悬臂末端的激光会发生一定程度的偏移，此偏移量反射到激光检测器的同时也会将信号传递给反馈控制系统；反馈控制系统根据接受的调节信号调节压电陶瓷三维扫描器的位置，最终通过显示系统将样品表面的形貌特征以图像的形式呈现出来。3 样品制备3.1 样品要求原子力显微镜研究对象可以是有机固体、聚合物以及生物大分子等，样品的载体选择范围很大，包括云母片、玻璃片、石墨、抛光硅片、二氧化硅和某些生物膜等，其中最常用的是新剥离的云母片，主要原因是其非常平整且容易处理。而抛光硅片最好要用浓硫酸与30%双氧水的7∶3 混合液在90 ℃下煮1h。利用电性能测试时需要导电性能良好的载体，如石墨或镀有金属的基片。试样的厚度，包括试样台的厚度，最大为10 mm。如果试样过重，有时会影响Scanner的动作，请不要放过重的试样。试样的大小以不大于试样台的大小（直径20 mm）为大致的标准。稍微大一点也没问题。但是，最大值约为40 mm。如果未固定好就进行测量可能产生移位。请固定好后再测定。3.2 样品制备粉末样品的制备：粉末样品的制备常用的是胶纸法，先把两面胶纸粘贴在样品座上，然后把粉末撒到胶纸上，吹去为粘贴在胶纸上的多余粉末即可。块状样品的制备：玻璃、陶瓷及晶体等固体样品需要抛光，注意固体样品表面的粗糙度。液体样品的制备：液体样品的浓度不能太高，否则粒子团聚会损伤针尖。（纳米颗粒：纳米粉末分散到溶剂中，越稀越好，然后涂于云母片或硅片上，手动滴涂或用旋涂机旋涂均可，并自然晾干）。4 原子力显微镜的应用4.1 在材料科学及化学中的应用目前，AFM 在材料科学中主要应用于材料的表面结构、表面重构现象以及表面的动态过程（例如扩散现象）等方面的研究，表面科学的中心内容是研究晶体表面的原子结构，例如从理论上推算出的金属表面结构往往不如实际复杂，借助原子力显微镜可以直观地观察材料的表面重构现象，有助于理论的进一步完善。4.1.1 在探测材料样貌方面的应用利用原子力显微镜来观测材料的样貌进行成像的时候，材料与探针之间出现相应作用力改变能够很好的反映出材料表面的三维图像。可以通过数值分析出材料表面的高低起伏情况，因此，在利用原子力显微镜对材料进行图像分析的时候，可以有效地发现材料表面的颗粒程度、粗糙程度、孔径分布以及孔的结构等。可以利用这种成像的方式把材料表面的情况形成三维图像进行模拟显示，促使形成的图像更加利于人们观察。4.1.2 在粉体材料中的应用在对粉体材料进行分析和研究的时候，可以利用原子力显微镜来逐渐分析原子或者分子中尺度，从而保证可以准确观测晶体以及非晶体的位置、形态、缺陷、聚能、空位以及不同力之间的相互作用。一般来说，粉体材料基本上都是使用在工业中的，但是现阶段有关于检测粉体材料的方法还是十分少的，研制样品也相对比较困难。原子力显微镜实际上是一种新兴的检测方式，具有操作方便、制样简单等特点。很多专家学者认为，人们使用化学方式研制出了SnS粉末，利用原子力显微镜把涂在硅基板上的材料进行成像，从图像上我们很容易发现此类材料具有分布均匀的特点，每一个大约15nm。4.1.3 在晶体材料中的应用专家学者经过不断研究和分析得到了很多晶体生长的模型，但是经过更加深入的分析和研究发现这些理论模型和实际情况是否相同还是具有一定差异，也逐渐成为学者讨论和研究的重点，所以人们希望通过显微镜来监测和观察生长过程。虽然，使用传统的显微镜已经观测出一定的成果，但是由于这些光学显微镜、激光全息干涉技术等存在分辨率不是十分高、实验条件不是很好以及放大不足等问题，使得研究过程出现很大困难，导致不能观测纳米级的分子等。原子力显微镜的发展，为科学家们研究纳米级分子或者原子提供了依据，也成为了专业人士研究晶体过程的重要方式。利用这种显微镜具有的能够在溶液中观察以及高分辨率等特点，可以保证科学家们能够很好的观测到晶体生长过程中的纳米级图像，从而不断分析和掌握材料的情况。4.2 在生物学中的应用AFM 能在气体、液体中无损伤地直接观察物体，可对生物分子在近生理条件下进行检测，是生命科学研究中的有力工具。目前，在生命科学中AFM 主要应用于对细胞、病毒、核酸、蛋白质等生物大分子的三维结构和动态结构信息进行研究。4.2.1 对细胞膜表面形态的研究细胞膜有重要的生理功能，它既使细胞维持稳定代谢的胞内环境，又能调节和选择物质进出细胞。AFM 能够观察到细胞膜表面的超微结构，因此它可以用来观察正常细胞与病变细胞的细胞膜，发现两者的异同，为临床病理诊断提供新的视角和方法。4.2.2 测定细胞弹性以及力学性质病变这一生理过程与细胞的形态和力学性质有关。细胞形态学的变化会影响和反映细胞性质、功能以及细胞微环境的改变。健康细胞与病理状态的细胞在机械性能上是完全不同的。抓住这一点，可以利用AFM 测量出的细胞弹性性质识别癌细胞，以及辅助诊断红细胞相关的各种疾病等，从细胞层面上对各种疾病进行早期诊断和治疗。4.2.3 检测活细胞间相互作用AFM 也可以对细胞间的相互作用进行观察。将一种细胞连接在AFM 扫面探针的尖端，使针尖功能化，对另一种单层排列的细胞进行扫描就可以进行细胞间相互作用的研究。4.2.4 观察动态生物过程AFM也是观察细胞生物过程非常有效的工具。研究痘病毒和活细胞，得到了痘病毒感染活细胞全过程的AFM 图。通过活着的细胞观察子代病毒颗粒，并用AFM 在水溶液环境中在分子水平分辩出有规则重复的烙铁状结构和准有序的环状结构。观察中发现: 在感染前后最初几小时，细胞并无显著变化 子代病毒粒子沿细胞骨架进入细胞内部，还有胞吐、病毒颗粒聚集等现象。通过AFM 图像可以看出哑铃状小泡逐渐形成、消失并在细胞膜表面形成凹陷的全过程。4.2.5 观察生物大分子之间相互作用在生物体内，DNA 与蛋白质间的相互作用有着同样举足轻重的地位。在转录、翻译的过程中，DNA 与特定的蛋白质如解旋酶、聚合酶、启动因子等的结合就决定着生命活动的开启。Gilmore 等利用AFM 以每500 ms 拍摄1 次的速度，清晰地观察到了蛋白质在DNA 上的结合情况。因此，AFM 可以真正帮助我们深入地“看到”生命活动的本质。4.2.6 测定细胞电学性质细胞不论在静止状态还是活动状态，都会产生与生命状态密切相关的、有规律的电现象，生物电信号包括静息电位和动作电位，其本质是离子的跨膜流动。因此，研究细胞的电生理学也成为了生命科学领域一个重要的分支。在AFM 系统中增加了导电模块，在迎春花细胞、酵母菌细胞等样品和探针之间加一个偏压，在扫描的过程中，同时获得样品的表面形貌和电流像，且在成像的同时检测探针和细胞样品之间的电流，得到样品表面形貌和局域电流分布及两者之间的对应关系，从而实现AFM 在纳米尺度上对细胞样品电学特性的分析检测。参考文献[1]高翔.原子力显微镜在材料成像中的应用[J].化工管理,2015(08):67.[2]王明友,王卓群,焦丽君.原子力显微镜在表面分析中的应用[J].邢台职业技术学院学报,2015,32(01):75-78.[3]万旻亿.原子力显微镜的核心技术与应用[J].科技资讯,2016,14(35):240-241.[4]鞠安,蒋雯,许阳,杨升,常宁,王鹏,顾宁.原子力显微镜在生命科学领域研究中的应用进展[J].东南大学学报(医学版),2015,34(05):807-812.

人类认识真理的过程就像剥洋葱，由表及里一层层递进。 反映到对化学反应过程的认识，一开始，人们通过物质的形、色等外在表象认识化学反应。正如现代化学之父拉瓦锡重复的经典“氧化汞加热”实验一样，氧化汞由红色粉末变为液态的金属汞，这个显著的变化意味着反应的发生。即使到了近现代，仪器分析手段越来越多样，我们做常用的分析手段也是通过物质外在状态的变化进行观察，或者利用各类显微镜及X射线衍射仪观察物质的结构变化。 拉瓦锡之匙拉瓦锡对化学反应中物质的质量、颜色、状态变化的观察，犹如在重重黑暗中，找到了打卡化学之门的那把钥匙。 元素周期表 到19世纪，道尔顿和阿伏加德罗的原子、分子理论确立，门捷列夫编列了元素周期表。原子、分子、元素概念的建立令化学豁然开朗 自从用原子-分子论来研究化学，化学才真正被确立为一门科学。正是随着对不同元素的各种微粒组合变化的认识发展，化学的大门终于被打开。伴随金属键、共价键、离子键、氢键等各种“键”概念的提出，人们逐渐认识到各种反应的本质是原子或分子等微粒间的力学变化。于是，对反应的观测需要微观下的力学测量工作。 作为专门利用极近距离下极小颗粒间作用力工作的原子力显微镜，此事展现了自身巨大优势。无论是直接测试不同分子间的作用力，还是利用力的测量完成表面形貌的表征，原子力显微镜以高分辨率出色地完成了任务。 对于一些生物样品，例如脂质膜，因为其是由磷脂分子构成的单层或双层结构，极其柔软，因此其表面作用力极其微弱。从测试曲线上可以看出，脂质膜对探针的力只有约1pN，但是原子力显微镜的测试曲线上可以很清晰地捕捉到这个变化。 有趣的是，人们对真理的发掘，是由表及里的。但是利用原子力显微镜对化学反应本质的发现，却是由内而外的。 原子力显微镜基本是被作为一种表面分析工具使用的。这使其只能用来观察反应前后固相表面的结构变化，或者通过固相表面的各种属性，如机械性能、电磁学性能等侧面论证反应的发生。而要真正观察到反应的过程，是要对界面层进行观测的。因为几乎所有的反应，都是发生在两相界面处的，表面只是最终反应结果的呈现。 在界面处，反应发生时，原有的原子/分子间的作用力——也就是各种“键”，因为电子的状态变化（得失或者偏移）无法维持原有的稳定性，从而导致了原子/分子的重新排列，直到形成了新的力学稳定态——也就是新的“键”形成后，反应结束。这个过程的核心就是原子/分子间的“力的变化”。 反应的本质——微粒间力的分分合合 当化学科学的车轮推进到纳米时代，当探索的前锋触摸了两相界面，当理论的深度深入到动力学的研究。原子力显微镜是否能够当此重任呢？ 能。但是需要一番蜕变。 界面处的力梯度有两个特点。一是更为集中，一般在0.3nm-1nm左右的范围内会有2-4个梯度变化；二是更为微弱，现在的原子力显微镜可以有效捕捉皮牛级的力变化，但是在表征界面时依然分辨率不足，需要的分辨率要提高1-2个数量级。 新的需求引导了新的技术蜕变。调频模式的成熟化，几乎完美应对了界面处的力梯度特点。一方面，只有几个埃的振幅可以有效对整个界面区进行表征，另一方面，检测噪音压低到20 fm/√Hz以内，保证了极高的分辨率。 岛津调频型原子力显微镜SPM-8100FM 例如对固液界面的观察。我们都知道，因为在固液界面处，因为液体分子和固体表面分子的距离不同，会形成不同的作用力，如氢键、偶极矩、色散力等。因此形成的液体分子的堆积密度会有不同。这种液体分子的分层模型，是润滑、浸润、表面张力等领域的底层原理。但是长期以来，这些理论只存在于数理模型和宏观现象解释之中，没有一个合适的直观观测工具。 界面观测之牛刀小试 岛津的SPM-8100FM的出现，将固液界面的高效表征变成了现实。上图右侧就是云母和水的界面处，水分子的分层结构，在约0.6nm的范围内，可以清楚看到3个分层。 具体到现实应用中，对表面润滑的研究很适合采用这种分析工具进行定性定量化测试。使用SPM-8100FM对润滑油中氧化铁表面上所形成的磷酸酯吸附膜进行分析。 图示为4组对照实验，分别是仅使用PAO（聚α-烯烃）和添加了不同浓度的C18AP（正磷酸油酸酯）的润滑油。 在未添加C18AP的PAO中，观察到层间距离0.66 nm的层状结构。通过这一层次可以看出，PAO分子在氧化铁膜表面上形成了平行于表面的平坦的覆层。随着C18AP浓度不断增加，从0.2 ppm到2 ppm后，层状结构开始消失，最后在20 ppm和200 ppm时完全观察不到。层状结构消失表明PAO分子定向结构被C18AP取代，在基片上形成了吸附膜。随着C18AP浓度不断增加，氧化铁基片表面逐渐被吸附膜覆盖。 对照使用摆锤式摩擦力测试仪测量获得的钢-润滑油-钢界面的摩擦系数。在添加C18AP浓度到达20 ppm后，PAO的摩擦系数大大降低。和微观界面表征的结果非常吻合。 由此可见，使用SPM-8100FM对润滑油-氧化铁界面实施滑动表面摩擦特性分析评估，可有效加快润滑油开发进度。 技术的发展推动了科学的进步，科学的发展也渴求更多的技术发展。原子力显微镜表征技术由表面向界面的延伸，一定会有力地推动对化学由表象向本质的探索。岛津将一如既往地尽其所能，提供帮助。 本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

项目编号：KY2022-3-187项目名称：原子力显微镜采购项目采购方式：公开招标预算金额：1,600,000.00元采购需求：合同包1(原子力显微镜采购):合同包预算金额：1,600,000.00元合同包最高限价：1,600,000.00元品目号品目名称采购标的数量（单位）技术规格、参数及要求品目预算(元)最高限价(元)1-1显微镜原子力显微镜1(套)详见采购文件1,600,000.001,600,000.00本合同包不接受联合体投标合同履行期限：交货期：合同签订后180日内 质保期：验收合格后至少1年

|作者：彭金波1,2,† 江颖3,4,††(1 上海交通大学 李政道研究所 )(2 上海交通大学物理与天文学院 )(3 北京大学物理学院 量子材料科学中心 )(4 北京大学轻元素先进材料研究中心 )本文选自《物理》2023年第3期摘要：扫描探针显微镜主要包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜，其利用尖锐的针尖逐点扫描样品，可在原子和分子尺度上获取表面的形貌和丰富的物性，改变了人们对物质的研究范式和基础认知。近年来，qPlus型高品质因子力传感器的出现将扫描探针显微镜的分辨率和灵敏度推向了一个新的水平，为化学结构、电荷态、电子态、自旋态等多自由度的精密探测和操控提供了前所未有的机会。文章首先简要介绍原子力显微镜的发展历史和基本工作原理，然后重点描述qPlus型原子力显微镜技术的优势及其在单原子、单分子和低维材料体系中的应用，最后展望该技术的未来发展趋势和潜在应用。关键词：扫描探针显微镜，原子力显微镜，qPlus力传感器，高分辨成像，原子分辨01原子力显微镜的诞生显微镜是人类认识微观世界的最重要工具之一。光学显微镜的诞生让人们第一次看到了细菌、细胞等用肉眼无法看到的微小物体，从而打开了崭新的世界。然而，由于光学衍射极限的限制，光学显微镜的空间分辨率一般局限于可见光波长的一半左右(约300 nm)，很难用于分辨纳米尺度下更细微的结构，更无法用于观察物质最基本的原子结构排布。要想进一步提高探测的空间分辨率，一种途径是减小探测波的波长，比如扫描电子显微镜就是利用波长更短的电子波来进行成像。另一种途径是采取近场的局域探测，比如近场光学显微镜及其他基于局域相互作用探测的扫描探针显微镜。可以想象，要想获得更高的空间分辨率，就需要对样品的探测更加局域，即“探针”尖端足够尖，最好只有探针和样品最接近的几个原子能够发生相互作用，“感受”到彼此。这种相互作用可以是电子波函数的交叠或者原子作用力等。1981年，Binnig和Rohrer发明了扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope，STM)，STM是基于探测针尖和样品之间的隧道电流来进行空间成像的工具。由于隧道电流正比于针尖尖端几个原子与衬底原子的电子波函数的交叠，对针尖与样品之间的距离非常敏感，因此可以获得原子级的空间分辨率。STM的发明，使得人们可以在实空间直接观察固体表面的原子结构，因此荣获1986年的诺贝尔物理学奖[1]。然而，STM依赖于隧道电流的探测，无法用于扫描绝缘样品，因此使用范围受到了极大的限制。有趣的是，在早期的STM实验中，研究人员发现当针尖和样品比较近而出现隧道电流时，会同时产生较强的相互作用力。Binnig意识到通过测量针尖与样品原子之间的相互作用力也可用来对样品表面成像。1986年，他提出了基于探测针尖和样品之间原子作用力的新型显微镜——原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)[2]，并随后与Quate和Gerber搭建出了第一套可以工作的AFM[3]。三人于2016年获得了Kavli纳米科学奖。AFM是基于针尖与样品之间原子作用力的探测，不需要样品具有导电性，因而可以用于研究包括金属、半导体、绝缘体等多种材料体系，大大弥补了STM的研究局限。此外，AFM还可以在大气和液体环境中工作，具有很好的工况条件和生物体系兼容性。这些优势使得AFM成为纳米科学领域使用最广泛的成像工具之一。然而，AFM并不像STM那样在发明之初就获得了原子级分辨率，而是直到5年之后(1991年)，惰性固体表面的原子分辨成像才得以实现[4，5]。近年来，由于qPlus力传感器的引入，AFM的空间分辨能力得到了极大的提升。通过针尖修饰，人们可以更加容易地获得原子级成像，甚至实现氢原子和化学键的超高分辨成像。接下来，本文将简要介绍常见AFM的基本工作原理，然后着重介绍基于qPlus力传感器的AFM(简称qPlus-AFM)及其在各种体系中的应用，最后展望qPlus-AFM在物理和其他领域的潜在应用和面临的挑战。02常规AFM的原理和工作模式介绍2.1 AFM工作的基本原理目前使用最为广泛的是激光反射式AFM，其典型的结构示意图如图1(a)所示[6]。最核心的部分是力传感器，它一般是一个由微加工技术制备的可以振动的悬臂(常用的材料是硅或者氮化硅)，悬臂的末端有一个与悬臂梁一体的尖锐针尖，悬臂的背面镀有一层金属以达到镜面反射。当一束激光照射到悬臂上，光斑被反射到一个对光斑位置非常敏感的光电探测器上。当针尖扫描样品表面时，由于针尖与样品之间存在相互作用力，悬臂将随样品表面形貌的起伏而产生不同程度的弯曲形变，因而反射光斑的位置也会发生变化。通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。图1 AFM工作的基本原理[6] (a)典型激光反射式AFM的结构示意图；(b)超高真空下针尖与样品的相互作用力Fts及各成分力与针尖—样品距离z的关系2.2 原子力的分类在超高真空环境中，针尖与样品之间的相互作用力(Fts)与针尖—样品距离z之间典型的关系曲线如图1(b)所示。Fts大致可以分为长程力和短程力，长程力通常包括范德瓦耳斯力和静电力等，其衰减长度一般为几纳米或者几十纳米。短程力主要包括来自针尖和样品之间形成化学键的作用力和由于针尖—样品电子云交叠产生的泡利排斥力，其衰减长度一般约为0.1 nm左右。长程力对距离不敏感，很难分辨较小的表面起伏，要想获得较高的空间分辨率，需要让短程力的贡献占主导。在特殊的环境下，针尖和样品之间的相互作用力还包括机械接触力、毛细力、磁场力、卡西米尔力、水合力等。2.3 AFM的主要工作模式AFM有多种工作模式，通常分为静态模式和动态模式，后者包括非接触模式和轻敲模式两种(图2(a))。在静态模式下，针尖以拖拽的形式在样品表面扫描并记录表面的形貌起伏变化，因此也叫接触模式。悬臂的形变量为q=Fts/k (k为悬臂的劲度系数)，为了提高力探测的灵敏度，一般使用较软(k较小)的悬臂。为了避免较大的吸引力引起针尖发生“突跳”现象，静态模式主要工作在短程的排斥力区间(图2(b))，因此空间分辨率较高。但这种模式下针尖和样品之间的相互作用力较大，容易对较软的样品产生破坏。图2 AFM的工作模式[6] (a)接触模式、非接触模式和轻敲模式的示意图；(b)不同模式的大致工作范围(区分并不严格)；(c)悬臂在频率调制和振幅调制模式下的共振曲线。人们也经常把振幅调制模式称为轻敲模式，把频率调制模式称为非接触模式在动态模式下，悬臂被压电陶瓷励振器驱动以共振频率振动，当振幅A足够大使得回复力k∙Amax(Fts)时可以避免“突跳”现象的发生。动态模式有轻敲模式和非接触模式两种。轻敲模式类似于盲人使用手杖行走，其振幅比较大，一般从几纳米到一百多纳米，主要的力的贡献来源于针尖距离样品很近甚至接触的时候。这种模式对样品的损坏小，适用于不同的材料，是目前AFM使用最为广泛的模式。但是这种模式由于包含较多的长程力贡献，因此一般较难获得原子级分辨。此外，由于轻敲模式下振幅较大，测量振幅变化的信噪比较高，这种模式一般使用幅度调制(amplitude modulated，AM)，即以固定频率和振幅的激励信号来驱使悬臂振动，针尖和样品的作用力会引起悬臂振幅(及相对于激励信号的相位)的变化，将测量的振幅(或相位)的变化作为反馈信号可以获取样品表面的形貌信息(图2(c))。非接触模式的振幅一般是几纳米或埃的量级，针尖在振动过程中不会接触样品，因此可以避免对样品的扰动或者破坏。非接触式AFM除了可以使用AM模式外，还能以频率调制(frequency modulated，FM)模式工作。这其实与收音机的AM和FM模式原理类似，只是工作的频段不同。在FM模式下，悬臂保持相位和振幅不变，针尖和样品的作用力引起悬臂振动频率的变化，测量振动频率的变化可以得到样品表面形貌的信息(图2(c))。AM和FM模式下悬臂的共振频率变化的响应时间[7，8]分别约为τAM=Q/(πf0)，τFM=1/(2πf0)，其中Q是悬臂的品质因子，f0为悬臂的本征振动频率。由此可见，AM模式的响应时间会随Q因子的增加而线性变大，而FM模式的响应时间不受Q因子的影响。在超高真空低温环境中，悬臂的Q因子会比大气环境下增加几十倍，这使得AFM对力的敏感度及信噪比会有很大提升，但也会使得AM模式下AFM的响应时间大幅延长，导致扫描成像需要很长的时间。因此，AM模式(轻敲模式)主要被用于大气或者液体环境中。Q因子的增加对FM模式下AFM的响应时间没有影响，所以FM模式是超高真空环境下被广泛使用的工作模式，即保持高Q因子的同时还能保证较高的扫描速度。2.4 影响频率调制AFM噪音大小的因素在FM模式下，AFM直接探测的信号是针尖—样品相互作用力引起的悬臂频率偏移∆f，利用公式[9]可进一步转化为相互作用力Fts。频率偏移对应的相对噪音，因此可以用δkts的形式来表示FM模式下AFM测量中4种主要的噪音来源，分别为[10]热噪音：力传感器信号探测的噪音：AFM悬臂振荡的噪音：漂移噪音：其中kB为玻尔兹曼常数，T是温度，B是与扫描速度对应的带宽，nq是悬臂偏转信号探测的噪音密度，r 是频率的漂移速率，N是扫描图像的像素数。由上述式子可知，k越小，4种噪音都更小，因此在满足k∙Amax(Fts)的前提下，选择的k越小越好；Q越大，会使得第一和第三种噪音更小，但过大的Q会使得悬臂在FM模式下的稳定起振难以维持；振幅A越大，前三种噪音都更小，但A太大会引起短程力贡献大幅减小的问题(见下节)。03基于qPlus力传感器的非接触式AFM3.1 振幅对非接触式AFM分辨率的影响在FM模式下，AFM探测的频率偏移∆f，可以转化为权重函数w(z,A)和针尖—样品相互作用力的梯度的卷积[11]。如图3所示，w(z,A)是与振幅A和距离z相关的半椭圆，kts是力Fts与z曲线的梯度，也呈现为勺子形，只是最低点对应的距离z有所不同。可见，当振幅较大时，长程力对频率偏移的贡献占主导；随着振幅减小，短程力的贡献变大。当振幅与短程力的衰减长度(亚埃级)接近时，更容易得到原子级分辨率[10]。图3 长程力和短程力的贡献与AFM悬臂振幅A的关系[11]3.2 qPlus力传感器的发明传统AFM力传感器一般采用微加工制备的硅或者氮化硅悬臂，其劲度系数较小(约1 N/m)，力的探测灵敏度高。为了能探测短程力从而实现高空间分辨，往往需要让针尖靠近表面，从而导致“突跳”的发生。为了避免“突跳”引起的针尖损坏，需要悬臂在较大的振幅下工作。然而，大的振幅会使长程力的贡献增加，引起AFM的空间分辨率大大降低。图4 石英音叉和qPlus力传感器实物图 (a)，(b)手表中拆出来的石英音叉[12]；(c)第一代qPlus力传感器的实物图(图片来自德国雷根斯堡大学Giessibl课题组)[13]；(d)第四代qPlus力传感器的实物图(图片来自北京大学江颖课题组)[6]要想克服上述矛盾，实现在小振幅下工作的同时而不引起“突跳”的发生，则需要使用劲度系数k较大的悬臂。石英音叉是被广泛用于手表中的计时元件(图4(a)，(b))[12]，劲度系数高，可产生极高精度的振荡频率(一般为32—200 kHz)，且具有很高的Q因子。此外，其悬臂的形变可以利用石英的压电效应以电学的方式来直接探测，不需要激光系统，更容易兼容低温环境。早期，人们一般是在石英音叉的一个悬臂上粘上针尖来作为力传感器使用。然而，两个悬臂(相当于两个耦合的谐振子)由于质量和受力的不对称性导致Q因子大幅度降低，严重降低了AFM的信噪比。1996年，Giessibl将音叉的一个悬臂固定在质量很大的基底上，而在另一个自由的悬臂上粘上针尖以作为AFM力传感器，这样把两个耦合的谐振子变成单个独立的谐振子，可以保持较高的Q因子，且Q因子几乎不受针尖—样品相互作用力的影响。因此，这种力传感器被称为qPlus力传感器[13](图4(c))。目前，qPlus力传感器已经经过了四代的升级和改进，最新的版本是直接设计单个石英悬臂作为力传感器(图4(d))。表1 微加工硅悬臂力传感器与qPlus力传感器典型参数的对比[6]典型的qPlus力传感器与广泛使用的微加工硅悬臂力传感器的主要参数对比见表1。可以看到，qPlus力传感器悬臂的劲度系数高得多(一般约1800 N/m)，因此其力灵敏度一般情况下低于硅悬臂。然而，qPlus力传感器可以在非接触模式下，以极小的振幅(约100 pm)近距离扫描样品，而不会出现“突跳”现象。由于qPlus-AFM的振幅可以与短程力的衰减长度接近，因此短程力的贡献非常大，更加容易获得超高的空间分辨率。最近，田野等通过优化设计qPlus力传感器，将Q因子提升到140000以上，最小振幅小于10 pm，最小探测力小于2 pN，从而将qPlus力传感器的性能推向了一个新的水平[14]。此外，使用导电针尖，并通过单独的导线把经过针尖的电流提取出来，可以很容易地将qPlus-AFM与STM集成在一起，以同时发挥STM和AFM的功能。关于qPlus-AFM更为系统的介绍见综述[10，11]。3.3 获得超高空间分辨率的关键如前所述，针尖与样品间的相互作用越局域，空间分辨率越高。换言之，要想获得超高的空间分辨率，需要减小长程力的贡献，凸显短程力的贡献。要实现这一点，有两点非常关键：一是使用与短程力衰减长度接近的亚埃级的小振幅工作(详见3.1节)；二是让针尖更加尖锐，减少长程的范德瓦耳斯力的贡献。对于AFM成像来说，针尖末端几纳米的部分尤其是针尖末端的几个原子扮演着最重要的角色。为了让针尖末端更尖锐，常用办法是让金属针尖轻戳金属衬底或对针尖进行原子或者分子修饰，使得短程的泡利排斥力、化学键力或者高阶静电力占主导。3.3.1 短程的泡利排斥力当针尖与样品的距离足够近时，二者的电子云会发生交叠，产生很强的短程泡利排斥力。大部分时候，泡利排斥力是对固体及分子体系成像获得原子级分辨率的关键。2009年，Gross等[15]发现对针尖修饰一氧化碳(CO)分子后，可以实现对单个并五苯分子的化学键和结构(图5(a))的超高分辨成像(图5(c))，其分辨率已经超过了STM图像(图5(b))。这种超高空间分辨率的成像主要起源于CO针尖“尖锐”的p轨道与并五苯分子之间电子云交叠所导致的短程泡利排斥力。这种针尖修饰方法简单易行，成像分辨率高，使得qPlus-AFM成像技术迅速获得了广泛的应用。除了CO分子修饰外，人们还可以对针尖修饰其他种类的原子或者分子，以提高空间分辨率或者实现其他特定功能，例如Cl离子[16]和Xe分子[17]修饰的针尖以及CuO针尖[18]等。图5 基于泡利排斥力的单分子化学键成像[15] (a)并五苯分子的结构图；用 CO 分子修饰的针尖得到的 STM 图(b)和AFM图(c)3.3.2 短程的化学键力当针尖和衬底的化学活性都较强时，在近距离扫描过程中，二者可以形成局域的化学键，基于这种短程的化学键力，也可以获得超高的空间分辨率。典型的例子是半导体表面的AFM高分辨成像。例如，Giessibl等[19]发现在用AFM扫描Si(111)-(7×7)样品时，针尖会从样品上吸起一些Si团簇而被修饰，因此在扫描时容易与样品表面带悬挂键的Si原子形成共价键，而得到原子级分辨率。然而，这种成像方式对表面结构扰动较大，不适用于弱键和分子体系。3.3.3 短程的静电力通常所说的静电力主要来源于低阶静电力，比如点电荷与点电荷或者电偶极之间的静电力，其大小分别正比于r -2和r -3(r是二者作用的距离)，是较长程的相互作用力，因此空间分辨率较低。而在某些特殊的情况下，高阶静电力的贡献会起主要作用，而且是更加短程的，因此会导致分辨率的显著提升。一个典型的例子是对离子晶体(如NaCl，MgO，Cu2N等)的原子分辨成像。离子晶体表面周期性的正负电荷排布产生指数衰减的短程静电势分布[20]，针尖与离子晶体表面的短程静电力作用可以得到原子级分辨的成像[21]。图6 基于高阶静电力的水分子高分辨成像 (a)CO针尖示意图(上)及DFT计算得到的CO针尖的电荷分布(下)，呈现出明显的电四极矩特征[16]；(b)水四聚体的原子结构图(上)和AFM图(下)[16]。白色箭头和弧线分别指示水分子中氧原子和氢原子的位置；(c)Au(111)上双层二维冰的原子构型(上)和AFM图像(下)，其中可以分辨平躺(蓝色箭头)和直立(黑色箭头)的水分子[23]；(d)Au(111)表面由Zundel类型水合氢离子(黑色箭头)自组装形成的单层结构图(上)和AFM图像(下)[14]另一个例子是利用CO针尖对强极性分子的高分辨成像。彭金波等[16]利用CO修饰的针尖(图6(a)上图)扫描水分子四聚体时，发现即使在针尖距离较远时也能获得亚分子级的分辨率(图6(b))，且图像的形貌与水分子四聚体的静电势分布极其接近，从中可识别水分子OH键的取向。通过理论计算得知，CO修饰的针尖具有电四极矩(图6(a)下图)，与水分子电偶极之间存在高阶静电力相互作用，这是一种更为短程的静电力(正比于r -6)，因此能够在未进入泡利排斥区域时获得超高空间分辨。这种基于微弱的高阶静电力的成像技术可以区分水分子中氢、氧原子的位置和氢键的取向并且扰动极小。近年来，这个技术已被成功应用于亚稳态水分子团簇[16]、盐离子水合物[22]、二维冰[23](图6(c))及单层水中的水合氢离子[14]的非侵扰高分辨成像(图6(d))，将水科学的研究推向了原子尺度。04超高分辨qPlus-AFM的应用相对于传统的AFM，qPlus-AFM可以很方便地与STM集成在一起，并兼容超高真空和低温环境，而且可获得原子级甚至单个化学键级的超高空间分辨率。这些优势使得qPlus-AFM获得了广泛的应用，大大促进了表面科学和低维材料研究领域的快速发展。下面我们简要介绍qPlus-AFM在高分辨结构成像、电荷态和电子的测量、原子力的测量和操纵等方面的应用和最新进展。4.1 高分辨结构成像qPlus-AFM在高分辨结构成像方面得到了最为广泛的应用。Gross等[15]通过对AFM针尖进行CO修饰，首次实现对有机分子的化学结构的直接测量(图5)，触发了一系列后续研究，包括：分子之间的氢键相互作用[24]、分子化学键键序[25]、铁原子团簇[26]、化学反应产物识别[27]等。近年来，人们通过控制有机分子前驱体的表面化学反应可以精确制备低维纳米材料，如石墨烯、石墨烯纳米带等。STM虽然被广泛用于表征其电子态，但是难以直接确定其原子结构、局域缺陷和边界构型等。qPlus-AFM对原子结构的敏感及超高的空间分辨率，可以很好地解决这些问题。例如，Gröning等[28]利用扫描隧道谱成像观测到了石墨烯纳米带末端的拓扑末端态(图7(a)右)，并通过AFM成像确定了拓扑非平庸的石墨烯纳米带的原子构型(图7(a)左)。图7 qPlus-AFM在低维材料高分辨成像中的典型应用 (a)表面合成的石墨烯纳米带的AFM图(左)和0.25 V偏压下的dI /dV 图(右)[28]，四角较亮部分指示拓扑边缘态；(b)利用磁性针尖得到的绝缘反铁磁NiO表面的AFM图像(左)及沿[100]方向相邻两个Ni原子不同自旋取向对应的高度轮廓线(右)[34]此外，qPlus-AFM开始被用于绝缘体表面原子结构的高分辨成像，如KBr[29]，CaF2[30erif font-size:14px "[51] Schirhagl R，Chang K，Loretz M et al. Annu. Rev. Phys. Chem.，2014，65：83

8月29日晚，由国家广电总局策划、部署，安徽省委宣传部、安徽省广播电视局指导，安徽广播电视台制作的大型理论实践探访节目《思想的田野安徽篇》播出啦！节目将嘉宾分成红蓝两队，乘坐思想号大篷车，以任务指令驱动，实地寻访探求，通过领略“创新”和体验“皖美”，来获得创新关键词，最后有感而发完成汇报演讲的全过程，凸显“创新引领发展”主题。而本期节目的创新关键词就是——量子。在国仪量子，一台基于NV色心和AFM扫描成像技术的量子精密测量仪器——量子钻石原子力显微镜又圈粉了。这台荣膺“CIIF创新引领奖”“朱良漪分析仪器创新奖”等多项大奖的高端科学仪器，又将给节目嘉宾和广大观众带来怎样的惊喜 ？关于量子钻石原子力显微镜量子钻石原子力显微镜（QDAFM）是基于NV色心和AFM 扫描成像技术的量子精密测量仪器。通过对钻石中氮—空位（NV）色心发光缺陷的自旋进行量子操控与读出，可实现磁学性质的定量无损成像，具有纳米级的高空间分辨率以及单个自旋的超高探测灵敏度，是研究材料磁学性质的新利器，在磁畴成像、二维材料、拓扑磁结构、超导磁学、细胞成像等领域有着广泛应用。

• James Keerfot• Vladimir V Korolkov原子力显微镜（AFM）是一种测量探针和样品之间作用力的技术，它不仅可用于测量纳米级分辨率的表面形貌，还可用于绘制和操作可使用纳米级探针处理的一系列性能。在这里，我们只谈到了最先进的AFM在层状材料研究中的一些能力。我们希望探索的第一个例子是如何使用AFM来研究垂直异质结构中的层的注册表，这会产生许多有趣的现象[1，2]。根据层间和层内的结合、晶格周期和两个重叠薄片角度的对称性和失配，可以观察到单层石墨烯（SLG）和六方氮化硼（hBN）[3]之间的莫尔图案或扭曲控制的双层二硫化钼（2L-MoS2（0°））[4]中的原子重建等特征。在图1中，我们展示了我们的FX40自动AFM如何使用导电AFM（C-AFM）和侧向力显微镜（LFM）来测量这些特征。这两种技术都源于接触模式AFM，其中悬臂由于排斥力而产生的偏转用于通过反馈回路跟踪表面形貌。LFM测量探针在垂直于悬臂梁的方向上扫描时的横向偏转，而C-AFM绘制尖端样品结处恒定电压和力下的电流图。除了传统的形貌通道外，AFM还使用这些模式，为研究垂直异质结构中层间扭曲和应变影响的研究人员提供了“莫尔测量”。图1:Park Systems的FX40自动AFM（a）用于使用LFM（c）和c-AFM（d）测量hBN和单层石墨烯（b）之间的莫尔图案。对于具有边缘扭曲角和有利的层间结合的样品，可以测量原子重建，这是石墨上平行堆叠的双层MoS2的情况（e）。与莫尔图案一样，在这种情况下，由于重建，可以使用LFM（f）和C-AFM（g）测量不同配准的区域。除了探索层状材料的形态和注册，原子力显微镜还具有一系列功能模式，可以用纳米尺度的分辨率测量诸如功函数、压电性、铁电性和纳米机械性能等性能。在图2中，我们展示了如何使用单程边带开尔文探针力显微镜（SB-KPFM）[5]来同时绘制尖端和具有不同层厚度的MoS2薄片之间的形态和接触电势差（CPD）。MoS2薄片从聚二甲基硅氧烷（PDMS）转移到Si上，在MoS2和Si之间留下截留的界面污染气泡。通过比较形貌（见图2b）和CPD（见图2c），我们看到由于MoS2层厚度和截留的界面污染物气泡的大小，CPD发生了变化。通过从地形数据中提取相对应变的估计值，该估计值基于尖端水泡相对于平坦基底的行进距离，可以直接将CPD和一系列层厚度的应变关联起来[6]。图2:KPFM是用Multi75E探针和5V的电驱动（VAC）和5kHz的频率（fAC）在硅（天然氧化物）上的MoS2上进行的（a）。对于多层MoS2薄片，同时绘制了形貌图（b）和CPD（c），揭示了由于层厚度和捕获污染物的气泡的存在而导致的CPD对比度。通过从地形图像中提取相对应变的估计值，我们绘制了各种泡罩尺寸和MoS2厚度的相关应变和CPD（d），如图图例所示。在我们的最后一个例子中，我们将研究如何使用原子力显微镜来决定性地操纵层状材料。在图3 a-c中，我们比较了90 nm SiO2/Si中2-3层（L）石墨烯薄片在使用阳极氧化切割之前（见图3b）和之后（见图3c）的横向力显微镜图像，其中尖端使用接触模式保持接触，同时施加40 kHz的10 V AC偏压[7]。除了阳极氧化，原子力显微镜还能够对层状材料进行机械改性。图3d-f中给出了一个这样的例子，其中使用Olympus AC160探针（刚度~26N/m）将聚苯乙烯上的3L-MoS2薄片缩进不同的深度。如图3f的插图所示，压痕深度（使用非接触模式监测）与压痕力密切相关。以这种方式修改局部应变已被证明可以决定性地产生表现出单光子发射的位点[8]。图3：在接触模式（a）下，通过向探针施加AC偏压，对少层石墨烯进行阳极氧化。通过比较（b）之前和（c）之后的LFM图像来证明薄片的确定性切割。也可以在聚苯乙烯上进行几层MoS2的压痕，证明了机械操作（d）。通过非接触模式AFM监测的压痕深度显示，压痕力范围高达~7.2µN。总之，我们已经展示了AFM如何能够提供比表面形貌多得多的信息，并且可以执行的一套功能测量和样品操作过程为关联测量提供了新的机会。易于使用的功能以及使用最佳探针自动重新配置硬件进行功能测量的能力，使Park的FX40特别适合此类调查。References[1] R. Ribeiro-Palau et al. Science 361, 6403, 690 (2018).[2]Y. Cao et al. Nature 556, 80 (2018).[3] C. Woods et al. Nature Phys. 10, 451 (2014).[4]A. Weston et al. Nat. Nanotechnol. 15, 592 (2020).[5] A. Axt et al. Beilstein J. Nanotechnol. 9, 1809–1819 (2018)[6] E. Alexeev et al. ACS Nano 14, 9, 11110 (2020)[7] H. Li et al. Nano Lett., 18, 12, 8011 (2018)[8] M. R. Rosenberger et al. ACS Nano, 13, 1, 904–912 (2019)原文：Atomic force microscopy for layered materials，Wiley Analytical Science作者简介• 詹姆斯基尔福（James Keerfot）Park Systems UK Ltd, MediCity Nottingham, Nottingham, UK.弗拉基米尔科罗尔科夫（Vladimir V. Korolkov）Park Systems UK Ltd., MediCity Nottingham, UK.弗拉基米尔于2008年获得莫斯科大学化学博士学位。随后，他进入海德堡大学，专攻薄膜的X射线光电子能谱学，随后在诺丁汉大学任职，在那里他发现了自己对扫描探针显微镜（SPM）的热情，并成为SPM技术的坚定拥护者，以揭示纳米级的结构和性能。他率先使用标准悬臂的更高本征模来常规实现分辨率，而以前人们认为分辨率仅限于STM和UHV-STM。弗拉基米尔目前发表了40多篇科学论文，其中包括几篇在《自然》杂志上发表的论文。尽管截至2018年，他的专业知识为SPM技术的产业发展做出了贡献，但他的工作仍在激励和影响该领域的学术冒险。

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项目概况原子力显微镜 采购项目的潜在供应商应在详见公告原文获取采购文件，并于2022年02月22日 09点00分（北京时间）前提交响应文件。一、项目基本情况项目编号：ZUPC-JC-HW-2201001G项目名称：原子力显微镜采购方式：竞争性磋商预算金额：198.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：198.0000000 万元（人民币）采购需求：原子力显微镜 一套，详见采购文件。合同履行期限：合同签订后5个月内。本项目( 不接受 )联合体投标。二、申请人的资格要求：1.满足《中华人民共和国政府采购法》第二十二条规定；2.落实政府采购政策需满足的资格要求：1.满足《中华人民共和国政府采购法》第二十二条规定；2.落实政府采购政策需满足的资格要求：无； 3.本项目的特定资格要求：无3.本项目的特定资格要求：无三、获取采购文件时间：2022年01月19日 至 2022年02月17日，每天上午9:00至11:30，下午13:30至16:00。（北京时间，法定节假日除外）地点：详见公告原文方式：购买售价：￥0.0 元（人民币）四、响应文件提交截止时间：2022年02月22日 09点00分（北京时间）地点：浙江大学紫金港校区东四117室。五、开启时间：2022年02月22日 09点00分（北京时间）地点：浙江大学紫金港校区东四117室。六、公告期限自本公告发布之日起3个工作日。七、其他补充事宜八、凡对本次采购提出询问，请按以下方式联系。1.采购人信息名 称：浙江大学　　　　　地址：杭州市西湖区余杭塘路866号　　　　　　　　联系方式：杨老师、谢老师 0571-88206325　　　　　　2.项目联系方式项目联系人：杨老师、谢老师电　话：　　0571-88206325

纳米材料是近十余年来新兴的功能材料类型，一般而言纳米材料在指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度，即100 nm以下，或是由此尺度的单元构成的材料。100nm相当于不到1000个原子紧密排列在一起，在这个尺度下，材料表现出了不同于宏观状态的力、光、电、磁、热等属性。因此成为化学和材料学科中研究非常广泛，进展很快的领域。 在纳米尺度下，对此类材料的形貌表征普通的光学观察方式不再适用。因此常用的是电子显微镜和原子力显微镜。而原子力显微镜因为具备三维高分辨表征能力而且环境适用范围广，被广泛运用于纳米材料的分析与检测。 纳米材料按维度可以分为零维材料、一维材料、二维材料、三维材料。 零维材料是指电子无法自由运动的材料，如量子点、纳米颗粒与粉末等。 硅量子点太阳能电池形貌及粒度分布 GaAs (100)衬底上生长的In0.7Ga0.3As量子点 对于零维材料，普遍关注的是颗粒的粒径以及粒径分布情况。从以上两个用案例可以看出，原子力显微镜可以很方便地获得图像及粒径统计数据。 一维材料是指电子只能在一个方向上自由运动的材料，如纳米线、量子线。早期研究较为深入的一维材料是碳纳米管。 单壁碳纳米管 上图是对单壁碳纳米管的观测。不仅可以直观地看到其形貌，而且可以通过断面测量获得管径数值。 同样的，如果视野中观察到了多条纤维，原子力显微镜的分析处理软件也可以对其进行统计分析。 2004年曼彻斯特大学Geim 小组成功分离出单原子层的石墨材料——石墨烯，由此带动了对二维材料的研究。主要包括石墨烯、拓扑绝缘体、过渡金属硫系化合物、黑磷等。 其中研究较为深入的是石墨烯。由于其各种优良属性均依赖于单层或少数几层。所以对石墨烯的基本且重要的测试要求就是对层数的测量。 在这一点上，原子力显微镜具有很好的优势，也因此被列入了国家标准（GBT 40066—2021 纳米技术氧化石墨烯厚度测量——原子力显微镜法）。 氧化石墨烯图像 GBT 40066—2021中规定的厚度计算公式 上图计算得到的计算数据，可知该片氧化石墨烯厚度为0.630±0.039nm，由此可推测这片氧化石墨烯为单层石墨烯。 综上所述，在纳米材料领域，原子力显微镜因其高分辨而且是三维成像的属性，成为各类纳米材料常用的分析工具。 岛津原子力显微镜历经三十余年的发展与积累，应对各种需求，不断推出新型号和新功能，为科学研究和技术发展提供得力的工具。本文中所有图片均为岛津原子力显微镜获得。 本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

表面分析技术包括飞行时间二次离子质谱，扫描探针显微镜，X射线光电子能谱等技术，在生物医药的生产和研发过程中，对于药物，细胞等表面和一定深度的成份信息的表征具有非常重要的意义，也是生物医药领域必不可少的分析表征手段。基于此，仪器信息网网络讲堂将于2022年9月23日举办“表面分析技术在生物医药领域的应用”网络研讨会，特邀5位专家带来精彩分享，聚焦AFM、XPS等最新应用进展！为相关从业人员搭建沟通和交流的平台，促进相关仪器技术及应用的发展。日程全览，点击报名时间专家09:30韩东（国家纳米科学中心 研究员）主要研究方向：纳米生物医学成像与表征、生命复杂流体与管理、生物力药理学。《生物型原子力显微镜表面分析技术在活体样品上的应用》报告摘要：21年经验，纯干货分享！纳米成像表征技术的源头应用与适应性改造生物活体纳米成像、表征设备功能群针对关键科学问题的新手段、新技术研发关于细胞的力学模型10:00樊友杰（布鲁克 应用工程师）《高速原子力显微镜在生物表面表征中的应用》报告摘要：快速原子力的发展克服了传统原子力速度上的局限，高空间分辨率的同时在毫秒尺度上研究生化动力学过程成为可能。介绍商业化的视频级速度的生物弄原子力显微镜在生物样品领域里的成像，在使用非常小的作用力同时得到亚分子级结构的分辨率。介绍快扫型原子力在探索不同的天然和人工聚合物动力学过程的一些实例，还有原位研究细胞膜表面的动力学过程，及二维光敏蛋白质晶体细菌视紫红质的动态过程。介绍JPK最新的力学成像模式“定量成像模式（QI™ ）”Bruker生物弄原子力的全针尖扫描模式可以从结构上非常好地与现代主流倒置显微镜进行无缝偶合。10:30王化斌(中科院重庆绿色智能技术研究院 研究中心主任/研究员)中国科学院首批岗位特聘研究员，重庆市高分辨三维动态成像检测工程技术研究中心主任；长期从事光谱、成像及力学方面的研究工作。《原子力显微镜在生物样品成像和力学测量中的应用》报告摘要：介绍原子力显微的不同成像模式及应用实例分享原子力显微镜不同力学分析技术及应用情况11:00蔡斯琪（岛津企业管理（中国）有限公司 产品专员）《XPS表面分析技术在生物医药领域中的应用》报告摘要：X射线光电子能谱仪是表面分析领域中一种崭新的分析技术，通过测量固体样品表面约10nm左右被激发出光电子的动能，进而对固体样品表面的元素成分进行定性、定量及价态分析。报告中主要介绍XPS原理、技术特点以及XPS在生物材料及医疗器械等领域的应用，旨在让科研工作者对XPS表面分析技术在生物医用领域的应用有所了解。11:30周江涛（苏黎世联邦理工学院 助理研究员）主要研究兴趣有原子力显微镜及相关显微成像分析技术，在生物纳米纤维材料的形成机理和应用的研究。《原子力显微镜在成像及与光热谐振结合的微纳表面化学分析技术》报告摘要：简要原子力显微镜的原理及应用示例重点介绍原子力显微镜与可见/红外光结合的光热谐振技术，以及他们在纳米尺度的高灵敏度表面化学结构分析点击图片，即可免费参会，和嘉宾线上互动！

项目编号：0773-2241SHHW0172/16；校内编号：招设2022A00189项目名称：上海交通大学原子力显微镜预算金额：170.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：170.0000000 万元（人民币）采购需求：设备名称： 原子力显微镜数量：1套简要技术参数：1.1 XYZ三轴闭环扫描器：XY方向扫描范围≥90微米；Z方向扫描范围≥10微米；扫描器Z方向实际测试噪声水平：闭环控制下，0.035 nm （RMS）；XY方向实际测试噪声水平：闭环控制下，≤0.15nm （RMS）；其余详见“第八章货物需求一览表及技术规格”。设备用途：在半导体加工领域，可以检测基片表面抛光缺陷、图形化结构、薄膜表面形貌以及定量的表面粗糙度数据和深度信息，也可用于材料表面高分辨成像，如：粗糙度、三维形等信息，同时可获得材料表面物理性质分布差异，如：摩擦力、阻抗分布、电势分布、介电常数、压电特性、磁学性质等交货期：合同签订后 24周以内。交付地点：上海交通大学用户指定地点。合同履行期限：合同签订后24周以内本项目( 不接受 )联合体投标。

美国加利福尼亚州当地时间2011年5月2日，布鲁克（Bruker）发布了一款具有创新性和独特外形的原子力显微镜新品——Dimension FastScanTM，该产品在不牺牲纳米级分辨率的前提下提高显微镜成像速度方面取得了重大突破。Dimension FastScanTM比其他AFM扫描速度提高了数百倍，能够在数秒或数分钟内，而不是数小时或数天内得出结果，是世界上扫描速度最快的高分辨原子力显微镜。 　　鉴于在纳米尺度上观察与了解材料的需求在不断增加，作为世界上使用最广泛的原子力显微平台的最新成员，Dimension FastScan采用了数项创新技术，使快速扫描速度、图像的高分辨率与精度达成完美平衡。基于成功设计的原子力显微镜架构，Dimension FastScan是一个尖端扫描系统（tip-scanning），能够提供空气或液体中的大、小样品的测量。 　　“Dimension FastScan实现了布鲁克在原子力显微镜技术上的目标之一，该仪器将使我们的用户能更有效率地工作，同时又不会丢失图像的分辨率与精度。在这样短的时间内完成高质量的图像，这是一项突破。”布鲁克纳米表面部总裁Mark R. Munch博士说到，“采用38项专利技术，Dimension FastScan具备了以往研究级原子力显微镜不能达到的更高的扫描速度，这是它的独特之处。” “通过提供更有效获得纳米级信息的途径，Dimension FastScan 表示了布鲁克对科学界的承诺。”布鲁克的原子力显微镜业务副总裁与总经理David V. Rossi补充到，“我们全新的Dimension FastScan，其与ScanAsyst、PeakForce QNM等其他的布鲁克旗下的原子力显微镜产品结合起来，显著提高工作效率，同时也提供纳米级的新的定量信息。这将使布鲁克的原子力显微镜系列产品更易于被学术界和工业界使用。”

不忘初心，砥砺前行，以下按照时间轴，一起回顾Park原子力显微镜公司成长史，以及伴随世界原子力显微镜技术发展的故事。01Park公司简介 帕克原子力显微镜（Park Systems,以下称Park）是一家专门从事纳米设备测量的公司。Park致力于新技术开发，始终是纳米显微镜和计量学领域的创新者。Park在AFM技术发展中发挥着举足轻重的作用，制造和销售具有全自动化软件且使用方便的高精度原子力显微镜（AFM）。截至2021年4月20日，Park股票估值超过了一兆（万亿）韩元。朴尚一（Sangil Park)博士和他的导师Calvin Quate教授02为梦想而坚守Park原子力显微镜创始人朴尚一博士 Dr. Sangil Park1985年朴尚一博士所在的课题组（师从Calvin Quate教授）研发出世界首台原子力显微镜1988年朴尚一博士在美国硅谷创立了Park Scientific Instruments公司(PSI)1997年朴尚一博士将年销量为1200万美金的PSI以1700万美金的价格转卖给了美国测量设备公司Thermo Micro.1997年朴尚一博士回到韩国，创立PSIA公司，即为后来的Park原子力显微镜公司。Park原子力显微镜1997年4月PSIA(株)成立（资金5亿韩元）1998年7月中小企业厅风险投资企业确认1998年10月被韩国产业资源部评定为工业为主技术开发公司2000年04月韩国科学技术部颁发国家研究奖（NRL）2002年7月获得NT Mark(New Technology)新技术认证2002年消除串扰技术的发展（XE），从而提高了原子力显微镜的反馈和成像2003年4月成立美国分公司（PSIA Inc.）2003年5月被韩国科学技术部选为核心技术开发产业（Nano）2003年10月获得CE标志认证（XE-100, XE-150产品型号）2004年2月获得“工业技术奖”2004年真正非接触模式（True Non-contact Mode）实现无损样品扫描2005年1月被评为2004年韩国十大新技术企业（原子力显微镜技术）2005年7月获得ISO 14001环境管理体系认证2006年1月获得韩国高新技术认证（NEP， New Excellence Product）2007年1月成立日本分公司韩国十大新技术奖（XE-3DM技术）-知识经济部2010年12月韩国技术大赏银奖（XE-3DM技术）（经济部长奖）

近日，清华大学暑期学校《从乐高到纳米显微镜》课程成果展示上，来自牛津大学、伦敦大学学院、清华大学和北京大学的中英两国博士生，展示了他们历时五天、用乐高积木和其他电子元件设计、搭建的原子力显微镜，并探究其应用于中国中学教育的可能性。 　　据介绍，原子力显微镜是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。普通的光学显微镜只能停留在微米级，而原子力显微镜能够探测到纳米结构，还可以实现三维成像，但目前一台原子力显微镜最低也需要20万元人民币，有的甚至高达100万元人民币，普通中学难以承受。而此次成果展示上的纳米显微镜造价不足千元，极大地增加了原子力显微镜应用于中学教育的可能性。

帕克原子力显微镜与您相约Semicon China 2019Semicon China作为中国首要的半导体行业盛事之一，将于2019年3月20日到3月22日在上海新国际博览中心隆重举行，帕克原子力显微镜公司将会亮相此次半导体的行业盛典。 日期：2019年3月20日-22日地点：上海新国际博览中心（SNIEC）展位号：E7馆 7330帕克原子力显微镜与您相约Semicon China 2019Semicon China作为中国首要的半导体行业盛事之一，将于2019年3月20日到3月22日在上海新国际博览中心隆重举行，帕克原子力显微镜公司将会亮相此次半导体的行业盛典。 日期：2019年3月20日-22日地点：上海新国际博览中心（SNIEC）展位号：E7馆 7330帕克的NX-Wafer不仅是可以用于高级5G器件设计的最佳原子力轮廓仪，还可满足VCSEL的一些应用，可提供从2寸到4，6，8，12寸的全自动化测量！帕克公司的应用专家们会在7330展位现场进行技术答疑。 恭候您的光临！帕克原子力显微镜公司帕克的NX-Wafer不仅是可以用于高级5G器件设计的最佳原子力轮廓仪，还可满足VCSEL的一些应用，可提供从2寸到4，6，8，12寸的全自动化测量！帕克公司的应用专家们会在7330展位现场进行技术答疑。 恭候您的光临！帕克原子力显微镜公司

新品：原子力显微镜AFM100系列AFM100系列原子力显微镜在提高操作便利性基础上，实现了更低噪音，更高分辨率和更低的漂移量，可用于科学研究开发以及质量管理。系列包括高性能AFM100 Plus及其入门型号AFM100两种机型。通过使用AFM100/100Plus，任何人都能轻松且稳定地获取可靠数据，从而完成从科学研究用途到质量管理中的日常作业。特别是AFM100 Plus，其用途广泛，可用于3D形貌观察、粗糙度分析、物性评估等领域。并可配置AFM Marking功能，实现与电子显微镜同一位置观察。 产品特点高性能：极低系统噪音，低漂移；高效率及操作简易化：Pre-mount cantilever预装探针系统，Realtune II参数自动优化，Recipe菜单化测量；电镜联用：AFM Marking功能，实现与日立电子显微镜的联用；高效的支持：自诊断功能，离线软件。 第三届原子力显微镜网络研讨会日期：8月18日时间：9:30-10:00题目：日立新一代AFM100系列原子力显微镜报告人：日立科学仪器(北京)有限公司 高级工程师 刘金荣 想了解更多产品信息，请点击链接，报名参与！https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/AFM2021.html公司介绍：日立科学仪器（北京）有限公司是世界500强日立集团旗下日立高新技术有限公司在北京设立的全资子公司。本公司秉承日立集团的使命、价值观和愿景，始终追寻“简化客户的高科技工艺”的企业理念,通过与客户的协同创新，积极为教育、科研、工业等领域的客户需求提供专业和优质的解决方案。 我们的主要产品包括：各类电子显微镜、原子力显微镜等表面科学仪器和前处理设备，以及各类色谱、光谱、电化学等分析仪器。为了更好地服务于中国广大的日立客户，公司目前在北京、上海、广州、西安、成都、武汉、沈阳等十几个主要城市设立有分公司、办事处或联络处等分支机构，直接为客户提供快速便捷的、专业优质的各类相关技术咨询、应用支持和售后技术服务，从而协助我们的客户实现其目标，共创美好未来。

2013年8月5日~6日，为期两天的Park原子力显微镜最新技术研讨会分别在清华大学、北京大学和国家纳米科学中心举行。 　　此次技术研讨会由天美(中国)科学仪器有限公司主办，非常荣幸地邀请到了Park Systems公司的CEO兼总裁Dr.Sang-il Park，并做了题为&ldquo Advances in Scanning Probe Microscopy and its Applications&rdquo 的演讲。 　　我们还非常荣幸地邀请到了来自国家纳米科学中心的王琛主任参加了国家纳米科学中心的研讨会，并致辞! 国家纳米科学中心王琛主任致辞 　　北京大学Park原子力显微镜最新技术研讨会上，我们很荣幸地邀请到刘忠范院士亲临现场并致辞!在交流过程中刘院士对Park原子力显微镜的革新技术给予了良好评价和认可，更加坚定了我们天美公司为国内科研事业提供最优质服务的决心和信心! 拜会北京大学刘忠范院士 　　参加此次技术研讨会的有来自清华、北大、北航、首师大、中科院化学所、中科院微电子所等众多国内知名科研院所的专家和学者们，并对现在原子力显微镜最新技术的发展进行了热烈地探讨和交流! 　　参加此次技术研讨会的还有天美公司副总裁赵薇女士、华北A区总经理董莉娜女士、华北A区电镜部经理杨勇先生及天美公司的其他同事们，会议由杨勇先生主持，由赵薇女士对天美公司的发展历程、产品概况及服务政策等做了详细地介绍! 天美公司副总裁赵薇女士致辞并介绍天美公司概况 　　Dr.Park毕业于Stanford-AEA Executive Institute, USA，是原子力显微镜的发明者之一Pro.Quate的学生 并于1988年成立了世界上第一个专业的AFM公司Park Scientific Instruments Corp., USA(后更名为：Park Systems Corp.)，公司发展至今已有25年之久的技术沉淀和市场积累!报告中Dr.Park结合具体的实验案例介绍了Park原子力显微镜的技术特点和优势，内容非常丰富和详实! Park Systems公司CEO兼总裁Dr.Park正在做演讲 清华大学技术研讨会现场 北京大学技术研讨会现场 国家纳米科学中心研讨会现场 　　随着科学技术的不断发展，原子力显微镜不仅仅作为一种表面结构表征的工具，而是在材料的机械性能、磁学性能、电学性能、化学性能等方面的研究正发挥着越来越大的作用!涉及到的领域更是由材料扩展到了物理、化学、生物、医药、电子、航空、航天等等领域!Park原子力显微镜以其独特的技术优势和特点获得了数以千计用户的认可，此次研讨会Dr.Park更是带来了Park原子力显微镜的最新研究成果，我们天美公司更是希望将这种最先进的技术及理念引进到国内来，为国内的科研事业做出我们自己最大的努力和贡献! 　　公司介绍： 　　天美(中国)科学仪器有限公司(&ldquo 天美(中国)&rdquo )是天美(控股)有限公司(&ldquo 天美(控股)&rdquo )的全资子公司，从事表面科学、分析仪器、生命科学设备及实验室仪器的设计、开发和制造及分销 为科研、教育、检测及生产提供完整可靠的解决方案。天美(中国)在北京、上海、等全国15个城市均设立办事处，为各地的客户提供便捷优质的服务。 　　天美(控股)是一家从事设计、研发、生产和分销的科学仪器综合解决方案的供应商。 继2004年于新加坡SGX主板上市后，2011年12月21日天美(控股)又在香港联交所主板上市(香港股票代码1298)，成为中国分析仪器行业第一家在国际主要市场主板上市的公司。近年来天美(控股)积极拓展国际市场，先后在新加坡、印度、澳门、印尼、泰国、越南、美国、英国、法国、德国、瑞士等多个国家设立分支机构。公司亦先后收购了法国Froilabo公司、瑞士Precisa公司、美国IXRF公司和英国Edinburgh等多家海外知名生产企业，加强了公司产品的多样化。 　　更多详情欢迎访问天美(中国)官方网站：http://www.techcomp.cn

产品简介原子力显微镜利用微悬臂下方的探针和样品表面距离缩小到纳米级，探针和样品表面的分子间作用力使得悬臂受力形变。探针针尖和样品之间的作用力与距离有强烈的依赖关系，即可以通过检测悬臂受力的弯曲程度，从而获得样品表面形貌信息。不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM能提供真实的三维表面图。同时,AFM不需要对样品的任何特殊处理,如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。第三，电子显微镜需要运行在高真空条件下,原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。这样可以用来研究生物宏观分子，电池材料，甚至活的生物组织。利用微悬臂探针结构对导体、半导体、绝缘品等固体材料进行三维样貌表征,纵向噪音水平低至0.03nm(开环)，可实现样品表面单个原子层结构形貌图像绘制。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,在材料研究中获得了广泛的研究。产品由本公司自主研发,稳定性强，可拓展性良好，提供定制服务 可拓展横向力显微镜 静电力显微镜 磁力显微镜 扫描开尔文探针显微镜 刻蚀和纳米操作等。该产品作为高速、高精度物质形貌表征工具,可以为高端科研与企业生产研发提供更多的选择与助力。设备性能XY方向噪音水平:0.2nm闭环 0.02nm开环。Z方向噪音水平:0.04nm闭环 0.03nm开环。XY方向非线性度:0.15% Z方向非线性度:1%图像分辨率:128x128,256x256,512x512,1024x1024，2048x2048扫描范围:最大可达100μmx100umx10 μm样品尺寸:最大可达直径15 mm,厚度5 mm全自动步进电机控制进样系统:行程30mm，定位精度50nm/步 设备特色工作模式:包括接触、轻敲、相移成像(Phase-lmaging)等多种工作模式适配环境:空气、液相多功能配置:横向力显微镜 静电力显微镜 磁力显微镜 扫描开尔文探针显微镜 刻蚀和纳米操作

干细胞的研究一直受制于供体细胞很难获得，而且相关实验的伦理风险也不容忽视。因此2007年发明的诱导式多能性干细胞(iPS)技术成为最佳的胚胎干细胞替代。iPS细胞在形态、基因和蛋白表达、表观遗传修饰状态、细胞倍增能力、类胚体和畸形瘤生成能力、分化能力等方面都与胚胎干细胞相似。但是iPS转化过程中，会有一定的几率发展为癌细胞。不同体细胞来源的iPS细胞成瘤性有差异。因此，如何筛选安全型iPS细胞是该技术能够进入临床实验的关键。原子力显微镜作为一种三维形貌观察工具，不仅具备超高分辨率，而且支持在液体环境下工作，是一种理想的细胞观测设备。除了形貌观察外，原子力显微镜还可以多种表面属性进行定量观测。例如，基于力学测试的表面机械性能测试。这些特征为原子力显微镜应用于iPS细胞观测与筛选提供了技术基础。为此设计一个实验，分别用原子力显微镜观察未分化的iPS细胞和HeLa细胞。HeLa细胞是一种被广泛使用的癌变细胞，因此可以和iPS细胞进行对比观察。上图显示了SPM形状图像(a)HeLa细胞和(b)iPS细胞。用光学显微镜观察到的相应相位差图像分别显示在(c)和(d)中。图中箭头所示位置处的截面形状轮廓如(e)和(f)所示。从细胞形态上来看，HeLa细胞呈圆顶形，表面隆起比较高，约7um；而iPS细胞呈扁平状且细胞间粘附呈网状结构，细胞高约1.7um。仔细观察细胞之间的边界，可以看出HeLa细胞之间的边界呈凹陷状，而iPS细胞之间的边界是凸起的，而且呈网络状。据此可分析得知这两种细胞各自的间粘附具有差异，且HeLa细胞之间的粘附较弱，而iPS细胞之间的粘附较强。除了形貌观察外，原子力显微镜还可以通过力学测量获得细胞表面的机械性能。如下图所示，用探针针尖压触细胞表面，通过对探针获得的力反馈分析样品各类机械性能。对于本实验，在对64×64点的测量区域进行测量后，从获取的体数据中形成形状图像。该观察中使用的探针是由OlympusCorporation制造的OMCL-TR800PSA并且具有0.15N/m的弹簧常数。测量是在培养液中的活细胞条件下进行的。对细胞的最终压力(排斥力)为2.5nN。通过比较从探针与样品接触的位置到达到2.5nN的力的变化，确定样品的硬度。(a)和(b)显示了SPM观察到的HeLa和iPS细胞的细胞形状图像，(c)和(d)显示了相应的ZX断面图像，是从样品竖截面方向看时在(a)和(b)中箭头所示的X线位置处施加到探针的力的图像。图中上方为测量起点，下方白色虚线为压触终点，显示了样品截面形状轮廓。在ZX图像中，探针与样品接触后检测到力的位置以黄色到红色的颜色显示。因为这表明探针对细胞的变形，所以可以理解较大量的细胞变形显示细胞的较软部分。可以从细胞变形量了解硬度。(c)中的HeLa细胞显示出均匀的变形，但相比之下，在(d)中的iPS细胞中，细胞体较软，细胞间粘附区较硬。分析结果表明，HeLa细胞表面硬度比较均匀，软硬部分差别不大，而iPS细胞主体较软，细胞间粘附区较硬。由以上测试可知，利用原子力显微镜对iPS细胞进行表征，有潜力发展为正常细胞筛选以及剔除癌变细胞的合适工具。本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

岛津原子力显微镜锂离子电池锂电池的结构由正极、负极、隔膜材料构成。 对于隔膜而言，其作用是分隔正极和负极，避免内部短路；同时，隔膜具有孔隙，可以吸附电解液使锂离子在充放电过程中可以双向通过。 目前常用的隔膜材料是聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）或者两者的混合物。制作工艺有干法和湿法两种，制作过程又包括流延、拉伸、定型等步骤。工艺和过程都会影响隔膜的孔隙孔径、孔隙率等。常用的观测方法是扫描电镜法，但是因为PE、PP都是绝缘材料，会形成严重的荷电效应，导致观察图像失真。因此，原子力显微镜非常合适的观察工具。 以上三张图片是用原子力显微镜对不同制作工艺的隔膜材料进行成像的图，范围为5μm×5μm。因为原子力显微镜获得的形貌图像为三维图像，因此隔膜多孔结构可被很显著的表现出来。 对于锂电池隔膜，除了常温下的孔隙结构，还需要测试孔隙在不同温度下的变化。因为当电池体系发生异常时，温度升高，为防止产生危险，希望隔膜可以在快速产热温度(120～140℃)开始时，因热塑性发生熔融，关闭微孔，隔绝正极与负极，防止电解质通过，从而达到遮断电流的目的。 岛津原子力显微镜具备完善的环境控制功能。使用样品加热单元从室温梯度加热到125°C和140°C，并观察其表面形状，范围为5μm×5μm。随着温度的升高，可以看到由于隔膜熔化，孔隙逐渐收缩。对于该实验，使用岛津专门设计的环境控制舱既可以在真空环境下进行，也可以完全模拟锂电池内部的温度/湿度/电化学环境进行。 本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

原子力显微镜是一种典型的表面分析工具。利用探针和表面的作用力，获取表面形貌、机械性能、电磁学性能等信息。但是，表面的状态往往是反应过程的最终表现，想要了解反应的动力学过程，只是着眼于“表面”明显就不够了。此外，对表面状态的诱发因素，也很难从表面的信息中获得。所以，表面的是最容易观察到的，但要究其根本，知其所以然，我们的视线要向“上”看，研究“界面”处的信息。表面之上，让表面不再肤浅。以原子力显微镜最基本的“力-距离”曲线为例。如下图所示，探针逐渐靠近样品表面直至接触，施加一定的作用力后再缓慢提起。在这个过程中，探针感受到的力和探针与样品表面间的距离标化曲线如下图。在逐步接近样品时，探针会受到一个吸引力，表现为曲线向负值方向有一个凹陷；然后逐步施加力至正值，停止；然后后撤探针，在脱离表面前会受到一个粘附力，形成第二个负值方向的凹陷。比较探针压入和提出的过程，探针的受力有一个明显的变化就是在提出过程中增加了探针表面与样品表面的粘附力作用。同时还要考虑样品表面的应力形变恢复带来的应力与吸附力作用距离延长。因此，从“力-距离”曲线中，我们可以获得压入-提出过程中，探针与样品保持接触阶段作用力的变化，由此分析得到杨氏模量；除此之外，在探针与样品表面脱离接触后，其范德华引力与粘弹性力在“界面层”仍然处于变化之中。分析这个阶段的粘附力力值和作用距离等数据，可以获得弹性形变恢复、粘性样品拉伸长度等信息。以上是针对一个点的分析，如果对一个面的每一个测试点都作如此分析，也就是通常所做的面力谱分析。如下图所示。一般而言，面力谱分析获得的是各类机械性能的面分布情况。如下图所示。但是，如果每一个测量点，我们都做如上的分析，还可以得到在垂直方向上，在探针针尖已经脱离了和样品表面的接触后的受力状态。从而获得了从表面向上一段距离内的力变化曲线。这样的数据用一个三维的图像表现出来呢，会给人更直观的认识。如下图所示。通过颜色变化表征垂直分布的力值变化，可以直观看到样品表面在受到压力后压缩和恢复程度，以及粘弹力的持续距离。前者可以反映样品的力学特征，后者可以反映表面化学成分，这个特征尤其在电化学和胶体科学领域非常重要。本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

项目编号：ZKGSF(ZB)-20220607项目名称：山东能源研究院原子力显微镜及光谱仪采购项目预算金额：230.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：230.0000000 万元（人民币）采购需求：采购原子力显微镜，1套；傅立叶变换红外光谱仪，1套。合同履行期限：原子力显微镜：收到预付款后五个月；傅立叶变换红外光谱仪：收到预付款后5-6个月。本项目( 不接受 )联合体投标。