原子力显微镜-扫描电子显微镜共定位表征系统的研发与应用

微纳加工过程中,常有样品需要进行聚焦离子束(FIB)溅射、切割,扫描电子显微镜(SEM)以及原子力显微镜(AFM)表征,而这三类仪器都需要将样品固定在样品台上才可测试,固定不佳会影响表征结果.但固定好的样品在不同仪器之间转移、拆卸、再固定的过程中极易受到破坏.基于以上问题,设计了AFM-SEM-FIB样品共定位系统,可实现样品在此三种仪器之间的无损转移及共定位,避免珍贵样品破坏及目标丢失,以及解决AFM扫描无法控制方向、迅速调整位点等问题.在微纳表征中有优异的表现,系统已被开发成产品并量产销售.

面向大中小学生的原子力显微镜开放型实验设计与探索

加强实践教学环节已成为各年龄段教学工作的重要要求和实施课程思政的重要手段。基于原子力显微镜开设面向大中小学生的开放型实验课程,探索实践融入课程思政的新方案和大型仪器设备开放共享的新途径,为大型仪器设备的社会化开放提供新思路,也是课程思政一体化建设的有益尝试。

原子力显微镜用于探究人眼近视与角膜基质生物力学属性的相关性

目的角膜基质是由多层纤维平行排列构成的胶原纤维板层结构所组成。近视是视力障碍产生的主要原因。但近视病理发展与角膜基质中胶原纤维微观结构和角膜基质的生物力学属性之间的复杂层次关系尚未阐明。方法本研究使用透射电子显微镜和原子力显微镜对不同近视程度的角膜基质进行形貌表征和力学属性测量,观察角膜基质内部胶原纤维的微观结构,对实验所得力学属性数据进行分析总结。同时,采用传统工具Corvis ST在体评估角膜基质的变形响应和宏观尺度下的角膜基质生物力学属性。结果根据透射电子显微镜与原子力显微镜实验所得图像,对胶原纤维直径和纤维间距进行定量分析,结果表明随着近视程度的加深,胶原纤维密度减小,直径明显增加,纤维高度增加,纤维间距明显扩大;根据原子力显微镜纳米压痕实验测量得出角膜基质弹性数据,用Hertz模型进行拟合,结果表明角膜基质的弹性模量随近视程度的加深而减小,角膜基质的可变形性增加。结论随着近视程度的加深,角膜基质弹性模量降低,变形能力增加,角膜基质变得更加柔软,胶原纤维间隙变宽直径变大,角膜内部结构发生改变。角膜基质的内部结构和生物力学特性与近视具有极强的相关性。

基于光束偏转法的原子力显微镜探针一致性装配系统研究

为解决原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)系统更换探针后光路调整复杂耗时、精度不足的问题,本文首次提出通过精密控制探针与探针夹装配位置来实现更换的探针相对AFM系统原光路位置的一致,进而实现免去AFM系统换针后调整光路步骤。该系统的光路一致性组件采用光束偏转法对探针位置与偏转进行放大与监测,并使用高精度位移与角度调节平台进行探针相对于探针夹的方位调整。通过实物搭建对探针一致性效果进行了验证,并对紫外光(Ultraviolet,UV)胶水固化过程导致探针位置偏移影响;探针不同偏移量时产生的探测器噪音对AFM系统成像质量影响进行了系统分析。实验结果表明:经由该系统装配的探针平均位置精度接近1.1μm;并且在AFM系统中更换一致性探针仅需8 s。该系统实现了高精度且质量稳定的探针一致性装配,极大地简化了AFM系统重新校准光路的操作步骤,其与自动换针装置配合可有效提升工业计量型AFM的操作与测量性能。

深度学习图像识别辅助原子力显微镜单细胞力学特性精准高效探测

目的原子力显微镜(AFM)的出现为生命科学研究提供了强大工具,特别是AFM压痕实验技术已成为细胞力学特性探测的重要方法,从单细胞尺度为生理病理活动过程带来了大量新的认识,是对传统生化集群平均研究方法的有力补充。然而现有AFM压痕实验技术存在着依赖人工、效率低下等不足,严重制约了其在生命科学领域的实际应用。本文通过将光学显微成像自动目标识别技术与AFM压痕技术结合,建立了单个游离态细胞及聚团生长细胞的力学特性精准高效测量方法。方法利用YOLO深度学习算法识别出光学图像中细胞的中心部位,并通过嵌入视觉转换器(ViT)模块的双UNet神经网络模型对细胞边缘部位进行精确分割,同时采用模板匹配算法对光学图像中AFM微球探针进行定位,在此基础上自动确定AFM探针上的微球针尖与细胞不同部位之间的空间位置关系,进而对细胞中心部位和边缘部位的力学特性进行快速测量。选取HEK 293(人胚胎肾细胞)和HGC-27(人未分化胃癌细胞)两种细胞进行验证实验,并利用Hertz模型对获取的力曲线进行分析以得到细胞杨氏模量。结果在深度学习光学图像自动识别导引下可将AFM探针准确移动至细胞不同部位(中心和边缘)进行力学特性测量,同时实验结果表明,本文提出的方法不仅可对单个游离态细胞进行可靠测量,也适用于聚团生长的细胞。结论深度学习图像识别在辅助AFM单细胞力学特性精准高效探测方面具有巨大潜力,将深度学习图像识别与AFM结合有助于发展面向生物医学应用的高通量单细胞力学特性测量方法。

探索微纳尺度润湿动力学:长针式原子力显微镜的应用与进展

“如何在微观层面测量界面现象”是微纳尺度实验流体力学的关键科学问题,被列入世界前沿125个科学问题名单(Sanders S,Science,2021).由于光学衍射极限的限制,传统光学手段很难直接测量微纳尺度下的流动与界面现象.利用原子力显微镜的精准操控和小尺度力学测量等优势,结合长针式探针组装成的微流变计可以直接测量气-液-固三相接触线上的毛细力,并监测探针在垂直方向运动中力的动态变化.通过该技术手段,可以实现对流体界面的动力学行为以及各类材料在液体环境中力学性质在微纳尺度的精确表征.文章将系统介绍长针式原子力显微镜技术的实验原理和方法,及其在微纳尺度非理想界面润湿动力学中的最新研究进展,包括低能垒表面毛细力的速度依赖性与非对称性、无序粗糙表面接触线黏滑运动的统计学规律、柔性表面接触线动力学的状态与速度定律、以及离子液体-金属界面处电场对接触角迟滞的调控等,最后展望了该技术在新兴领域中的应用.该实验手段为检验各类理论模型与数值模拟提供了可信数据,为探究界面上复杂现象的物理本质提供参考.

原子力显微镜加工轨迹测压电剪切叠堆二维高频运动位移

针对两轴压电剪切叠堆在高频电压驱动下的二维高频运动的位移测量问题,提出使用(AFM)探针在敲击模式下的加工痕迹测量压电剪切叠堆运动位移的方法,首先制备热塑性聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜,随后进行AFM探针敲击加工实验,扫描AMF探针加工轨迹并对其进行后处理,成功得到压电剪切叠堆的二维高频运动位移,实现了以半接触的方式对压电剪切叠堆二维高频复杂运动的准确检测,并依据实验数据对压电剪切叠堆二维运动位移随电压幅值及频率的变化情况进行分析。实验结果表明,在10 Hz~5 kHz的激励信号频率范围内,所提出的方法能准确测量压电剪切叠堆的运动位移。

轻敲式原子力显微镜相位成像的理论和实验研究

原子力显微镜有多种成像模式,轻敲模式是最为常用的扫描方式。轻敲模式能获取样品表面的高度信息和相位信息,其中相位信息具有更多的价值,其能反应样品表面的物理性质。为了理解原子力显微镜的相位成像机理,本文分别使用振动理论和能量理论推导了相位的理论表达式,发现两种理论方法所得到的相位表达式在本质上是一致的,并由理论结果得知相位与背景耗散和激励频率直接相关。其中背景耗散品的存在会掩盖样品表面的信息,降低相位对比度;而激励频率也会对相位产生极大的影响。本文通过理论和实验分析,发现在扫描过程中存在一个使得相位对比度达到最大的最优激励频率。这些结果对于解释原子力显微镜的相位像,进而在实验中优化相位成像具有重要意义。

基于原子力显微镜的细胞力学性质的测量与分析

目的应用原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM)定量测量Hela细胞的生物力学特性,比较在不同加载条件下Hela细胞的力学性质,提高人们对单细胞力学行为的认识,有助于了解疾病的发生、发展及预后,为癌症的病理生理学研究提供基础。方法应用AFM测量Hela细胞在不同针尖形状(球形和锥形)和不同加载速率下的力-位移曲线。应用Hertz和Sneddon方程分别拟合球形和锥形的力曲线确定其表面弹性模量。基于Mooney-Rivlin模型将Sneddon接触模型扩展,得到一个非线性压痕方程,并用锥形针尖的力曲线进行拟合验证其合理性。结果在相同加载速率下,Hertz方程拟合得到的细胞表面弹性模量比Sneddon方程拟合得到的小,且低估锥形针尖与细胞的接触面积会高估其表面弹性模量;在相同针尖形状下,细胞表面弹性模量随加载速率的增加而增大。用非线性压痕方程拟合所得弹性模量与Sneddon方程拟合力曲线截短部分得到的结果吻合较好。结论研究表明细胞的表面弹性模量受针尖形状和加载速率的影响较大,因此仅用细胞的弹性特征描述其力学性质的研究思路不够准确稳定,有必要用细胞的黏弹性力学特征作为诊断、检测疾病的重要指标来反映细胞的健康程度。本文引入的Mooney-Rivlin非线性力压痕关系可用于模拟AFM压痕行为。

原子力显微镜在有机缓蚀剂研究中的应用

有机缓蚀剂具有低毒性和高性价比等优点,在低浓度的注射剂量下可以实现优良的缓蚀效果,被广泛应用于石油化工(碳钢)、电子工业(铜)、车辆船舶和航空航天工业(铝),保护合金材料免受腐蚀危害。现有的电化学测试技术已经在有机缓蚀剂领域得以广泛应用,这种传统的研究方法可以提供有关界面电化学反应的平均动力学信息,但是无法直接解析缓蚀剂的吸附及作用机制。随着金属腐蚀与缓蚀剂研究的微观化和系统化发展,电化学分析手段逐渐与其他分析技术(如扫描电镜、X射线光电子能谱、拉曼光谱等)紧密结合,开展了对缓蚀剂作用机制的深入研究。在这些分析技术中,原子力显微镜(AFM)由于空间分辨率成像能力高,受工作环境和样品性质的局限较少,在有机缓蚀剂于金属/溶液界面的直观研究中起到了重要作用。本文结合近年来原子力显微镜在有机缓蚀剂领域的研究进展,简述了原子力显微镜的工作原理和几种操作模式,详述了AFM的接触模式在有机缓蚀剂研究中的普遍应用和其局限性,总结了AFM的敲击模式在表面活性剂吸附研究中的重要作用和研究现状并延伸到有机缓蚀剂的吸附研究,综述了AFM几个衍生功能(包括纳米刮擦、力-距离曲线、摩擦力和电化学原子力显微镜)在有机缓蚀剂研究中获得的缓蚀剂膜的力学和电化学相关信息,最后对AFM在有机缓蚀剂领域当前研究中存在的问题和未来发展趋势进行了展望。

基于原位原子力显微镜的巴洛沙韦酯单晶溶解机制研究

本文使用原位原子力显微镜(in-situ AFM),在近分子尺度探究了抗流感药物巴洛沙韦酯晶型Form I晶体最大暴露晶面在水中的溶解行为。该晶体最大暴露晶面为(020)面,溶解前呈现出层状台阶和螺旋位错的微观形貌特征。原位原子力显微镜测试表明该晶面在水中主要以台阶后退溶解机制和蚀坑扩展溶解机制溶解。台阶后退溶解机制主要发生在留存有生长台阶的晶面处,通过层状台阶逐步后退推进溶解。蚀坑扩展溶解机制中,蚀坑具有规则蚀坑和倒螺旋位错型蚀坑两种形态。倒螺旋位错型蚀坑与螺旋位错处的缺陷溶解启动相关;规则四边形蚀坑则主要出现在较为平整光滑的完美晶面处,其原因在于该特征晶面仅能通过自发蚀坑成核来推进溶解过程。通过规则四边形蚀坑溶解机制溶解时,该晶面还存在溶解蚀坑临界尺寸现象,即只有超过一定尺寸的蚀坑才能推进溶解。

原子力显微镜对牙釉质脱矿再矿化的分析

原子力显微镜是一种无须样本前处理的集形貌直观化和数据量化为一体的高分辨检测工具。利用原子力显微镜直观观察牙釉质脱矿及再矿化的微观形貌,并量化分析粗糙度和细菌黏附力。采用扫描电子显微镜和显微硬度计进行形貌观察和硬度值量化,验证原子力显微镜对牙釉质脱矿及再矿化的成像和量化效果。结果表明,随着脱矿时间的增加,牙釉质表面结构疏松,粗糙度增大;经过再矿化处理后,随着再矿化时间的增加,表面变得更为紧致,粗糙度降低。其他表征方法获得相似的结果,验证了原子力显微技术检测分析的可靠性。

基于原子力显微镜的红外光谱在聚合物领域的应用进展

综述了近年来基于原子力显微镜的红外光谱(AFM-IR)在高分子科学、材料科学等领域的应用进展,着重突出了AFM-IR在表征不同试样时的优势。AFM-IR克服了传统表征手段的诸多缺点,可以在纳米尺度上获得试样的化学组成信息,且表征精确性高,检测过程对试样无损,因而在聚合物、复合材料以及薄膜材料等领域获得了长足的发展,为研究聚合物构效关系、改善多种材料性能提供了重要助力。

首台商用低温版量子钻石原子力显微镜发布

2024年5月21日,全国首届量子精密测量赋能产业发展大会在安徽合肥举办。会上,全球首台商用低温版量子钻石原子力显微镜正式亮相。该显微镜由国仪量子技术(合肥)股份有限公司(以下简称“国仪量子”)自主研制,其发布标志着我国量子精密测量技术的产业化发展取得重要突破。磁性是物质的基本性质之一,其微观成像是实验物理研究中的重要方向。通过深入研究材料中的微观磁学特性,科学家可以深入了解材料的结构、电子性质及其相互作用,这对于新型磁存储材料和超导材料的开发具有重大意义。

基于宽禁带半导体材料氮化镓的原子力显微镜分析

微波功率器件在无线通信技术领域扮演着重要角色,而宽禁带半导体材料对微波功率器件的研究起着关键作用。氮化镓作为宽禁带半导体的代表,具有介电常数小、载流子饱和速率高、热导率高等优良特性。文章通过对氮化镓外延材料进行深入的原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)分析,能够更精准地表征氮化镓外延材料,从而助力微波功率器件的发展。

基于原子力显微镜研究黄原胶分子结构的云母片处理方法优化

原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)成像常用于研究多糖分子结构,然而针对阴离子多糖,现有的制样方法较难在小范围观察区获得其清晰的单分子束结构图片。因此,本文以黄原胶为阴离子多糖代表,从不改变多糖本身结构、提升成像质量角度出发,对多糖样品浓度,云母片不同金属离子盐种类、浓度和处理时间等AFM制样方法进行了优化。结果表明,在空白云母片上,黄原胶浓度1~5μg/mL时可观测到多糖单分子束结构,但在15μm×15μm扫描范围内可观测的分子束较少。通过对云母片进行处理优化,最佳处理条件选定在0.5 mmol/L的CaCl_(2)溶液处理2 min或2 mmol/L CaCl_(2)溶液处理0.5 min。在此条件下,当黄原胶浓度为5μg/mL时,在3μm×3μm观测范围内,处理后云母片上的黄原胶分子束数量及成像质量相比空白云母片显著提升,且其单分子束高度与分子结构并未发生改变。此外,通过提高云母片干燥温度可以获取更均匀的黄原胶分子结构图片。本研究可为其他阴离子多糖AFM成像的样品制备提供可借鉴的方法参考。

基于原子力显微镜的细胞力学性质的表征、测量和应用

医学与工程技术的交叉融合,即医工融合,已日益成为驱动现代医学不断进步的关键推动力,正在对传统医学技术和方法产生深远影响,生物力学的发展壮大正是其重要体现形式之一。生物力学主要通过融合生物医学与力学原理方法,对生命过程中的运动与变形等力学因素及其作用进行定量研究,以更好地认识生命过程的规律,解决生命与健康领域的科学问题。细胞力学是生物力学向微观发展的前沿分支之一,聚焦于细胞以及亚细胞结构生物学特性与行为的定量力学原理与调控途径。而细胞的力学性质则是指其在承载、变形、蠕变、松弛、流变、应力-应变关系等方面的特性,本质上为细胞受内部结构成分、组织形式和外部微环境控制而对外部机械刺激产生响应的一种可测量特征的体现形式。

原子力显微镜在页岩储层表征中的应用进展

综述了原子力显微镜在页岩孔隙表面力学性质方面的应用进展,总结了原子力显微镜在页岩表面形貌和孔隙结构方面的应用,包括页岩表面粗糙度的主要表征参数以及孔隙结构的表征方法,介绍了分水岭法识别孔隙结构的优势,展示了原子力显微镜在页岩表面力学性质方面的应用,包括杨氏模量、粘附力和表面电势的表征,展望了原子力显微镜在孔隙结构和力学性质表征方面的应用前景,进一步增强对原子力显微镜在页岩孔隙结构和力学性质的应用上的认识。

原子力显微镜动力学简化模型的振动参数探讨

欧拉-伯努利梁模型和一维弹簧振子模型是原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM)的动力学理论基础。该文章提出了计算等效阻尼的新方法,并分别用挠曲线函数和一阶振型函数两种简化方式计算了由欧拉-伯努利梁模型简化为一维弹簧振子模型的等效质量、等效刚度和等效阻尼,并对两种简化方式进行了比较。在各项参数等效的基础上,进一步对固定端位移激励下悬臂梁的响应振幅进行了探讨。最后设计了无针尖探针远离样品处的扫频实验,实验表明用一阶振型函数简化所得的理论结果和实验吻合较好。该结果为原子力显微镜的动力学特性研究提供了理论参考。

结合原子力显微镜和光学图像识别的单细胞力学特性快速测量研究

目的细胞力学特性在生理病理变化过程中起着关键调控作用,开展细胞力学特性研究为揭示生命活动奥秘及疾病发生发展演变规律提供了新的视角。原子力显微镜(AFM)的出现为单细胞力学特性研究提供了强大的技术手段。AFM的独特优势是不需要对活细胞进行任何预处理即可在溶液环境下对天然状态的活细胞力学特性进行高精度(纳米级空间分辨率,皮牛级力感知灵敏度)探测。基于AFM压痕实验的细胞力学特性探测已成为生命科学领域的重要研究方法。然而,现有基于AFM的单细胞力学特性测量主要依赖于人工操作,特别是在测量过程中需要人工控制AFM探针移动到细胞表面特定位置进行压痕实验,导致实验过程耗时费力且效率低下。本文通过将AFM与光学图像自动识别相结合建立了单细胞力学特性快速测量方法。方法分别利用UNet++深度学习网络模型和模板匹配算法识别出光学图像中的细胞及AFM探针,在此基础上自动确定细胞和AFM探针之间的空间位置关系,并控制AFM探针准确移动至目标细胞表面进行压痕实验。在光学显微镜视觉导引下利用AFM微操作将单个微球黏附至AFM探针悬臂梁制作得到球形针尖探针。选取HEK 293(人胚胎肾细胞)和MCF-7(人乳腺癌细胞)两种细胞进行实验。利用Hertz-Sneddon模型对在细胞表面获取的力曲线进行分析得到细胞杨氏模量。结果基于光学图像识别结果可将AFM探针针尖准确移动至目标细胞(HEK 293或MCF-7)并对细胞力学特性进行测量,同时实验结果表明本文所提出的方法不仅适用于常规AFM锥形针尖探针,也适用于AFM球形针尖探针。结论将AFM与光学图像识别结合显著提升了AFM细胞力学特性测量效率,为高通量自动化AFM单细胞力学特性探测提供了新的方法和思路,对于细胞力学特性研究具有广泛的积极意义。