作者：孙千 公众号：老千和他的朋友们。原文地址：https://mp.weixin.qq.com/s/N8DmPv4-jYaYHtpwjtWLDg
导读：扫描探针显微镜（SPM）是纳米科学领域的核心发明之一，目前已广泛应用于各类基础研究和应用场景。它的出现，让人类在纳米乃至原子尺度上认知物质的方式发生了根本性转变。
在固体表面直接观测到原子，是科研工作者长久以来的目标。1981年，IBM苏黎世实验室的罗雷尔、宾尼希和格伯发明了扫描隧道显微镜（STM），终于实现了这个目标。
历史照片：1981年IBM苏黎世实验室建造的第一台扫描隧道显微镜（STM）。这台看似简陋的装置，首次让人类直接“看见“了固体表面的单个原子。（图片来源：IBM）
格尔德·宾尼希（Gerd Binnig，左）与海因里希·罗雷尔（Heinrich Rohrer，右），扫描隧道显微镜的共同发明者。两人因这一发明获得1986年诺贝尔物理学奖。（图片来源：中国科普博览）
STM工作的核心原理是量子隧穿效应：将一根尖端达到原子级锋利的金属针靠近样品表面，在针尖和样品之间加上电压，电子就有一定概率穿过两者之间的真空间隙，形成隧穿电流。隧穿电流对距离极其敏感——在真空环境里，针尖和样品的距离每增加0.1纳米，电流就会下降一个数量级。正因为这个特性，只要让针尖在表面上逐行扫描，同时用反馈回路保持隧穿电流恒定，就能得到原子级分辨率的表面形貌图。
STM发明后没多久，宾尼希等人又提出了新的思路：不用检测电流，改为检测针尖和样品之间的原子间作用力，就能对不导电的样品成像。这个思路直接催生了原子力显微镜（AFM）。和STM只能检测导体、半导体不同，AFM几乎能对所有类型的表面成像。
STM和AFM采用的反馈信号不一样——一个测电流，一个测力——但基本逻辑相通：都用一根针尖扫过样品表面，靠反馈维持针尖和样品的相互作用恒定，本质上和留声机的唱针读取唱片纹路的原理类似。
在STM和AFM的基础上，研究者又发展出了一整个扫描探针显微镜（SPM）技术家族。要么在针尖上集成不同的纳米传感器，要么把电磁波耦合到针尖和样品的间隙里，就能测量更多物理量：电流、力、电容、光子、磁场、电场、应变、温度等等。
SPM的出现，把人类对物质的认知直接推进到了原子、分子尺度，为物理、化学、材料、生物、医学等领域打开了全新的研究方向，也吸引了全世界越来越多的研究者进入纳米技术领域。
SPM能实现原子级精度的扫描，核心依靠的是压电效应——给某些陶瓷材料施加电场，它就会发生极其微小的形变。靠这个效应，只要给压电元件施加不同的电压，就能让针尖做出皮米级的移动。整套扫描器是SPM的核心部件，它能让针尖从厘米级的宏观距离，一步步逼近到纳米级的工作距离。
除了压电扫描器，原子级尖锐的针尖是另一个核心部件，直接决定了横向分辨率的极限。此外，整套系统还需要良好的振动隔离，以及高增益、低噪声的信号放大器，这样才能把微弱的信号提取出来，得到足够清晰的原子级图像。
图1 | 扫描探针显微镜的基本装置。STM和AFM都用针尖扫描样品，两者用不同的反馈信号维持针尖–样品相互作用，但基本操作原理和图像采集逻辑相似。a | 施加偏压时，STM采集针尖顶点与样品之间的隧穿电流。b | AFM通过一根类似弹簧的悬臂，检测局部作用力和对应的机械参数。
本文将介绍STM和AFM的基本实验装置，包括实现高分辨率的关键组件、工作原理，以及开展实验的基本流程。
扫描隧道显微镜（STM）
STM的原理说起来很简单：把一根磨到顶端只剩单个原子的金属针，凑到样品表面很近的位置，在针尖和样品之间加一个电压。当两者的距离小到原子尺度，电子就会穿过间隙形成隧穿电流。
这个电流对距离极度敏感，呈指数关系。举个例子，清洁真空里，针尖和样品的距离通常在0.3~1纳米之间；距离每增加0.1纳米，电流就降到原来的十分之一。正因为如此，隧穿电流绝大部分都来自针尖最顶端的那一个原子，这就让STM拥有了原子级的横向分辨率。
STM的针尖一般装在压电控制元件上，靠电压驱动实现原子级精度的移动（图2a、b）。几乎所有的STM系统，都设计成可以方便地更换针尖和样品，不用大拆大改整个装置。
STM对噪声非常敏感，噪声主要来自两方面：电子线路的电噪声，还有实验室环境带来的振动噪声。要得到原子级图像，必须把这两类噪声都压下去。
显微镜的扫描头本身是厘米级的宏观物件，而针尖和样品的距离不到1纳米，理想情况下要稳定在1皮米左右。任何一点机械振动，都会让距离波动，直接反映成电流的噪声。所以实验室的地板、真空腔的振动都必须尽量小。
设备一般要放在安静的地下室，更极致的做法是把仪器放在重达百吨、浮在空气弹簧上的混凝土块上，比如马克斯·普朗克固体研究所的精密实验室。当然，整栋楼做隔振设计也能达到不错的效果。实际上哪怕是普通实验室，10赫兹以下的低频振动往往都不大，10赫兹以上的振动会更明显一些（图2c）。
图2 | 扫描隧道显微镜装置。a | STM整套装置包括粗进电机、三维扫描器、振动隔离装置、阻尼装置、前置放大器和控制器单元。金属框架用来屏蔽外界电噪声。比例积分微分单元（PID）负责在恒流模式下控制针尖–样品距离。插图：扫描隧道谱（STS）测量用的锁相放大电路示意图。b | STM扫描头实物照片，能看到针尖、样品架上的样品，还有粘滑步进器，都装在一块金属基板上。c | 全球不同STM实验室在1~200赫兹范围内的振动水平对比。纵轴是振动速度，用来衡量建筑隔振水平。最低的几组靠的是浮置混凝土块，其次是高质量地下室，普通地下室效果稍差。RMS是均方根的意思。
光房间安静还不够，扫描头本身也要设计得足够“刚“，也就是机械共振频率要高（图2b）。一般扫描头的最低共振频率在1~5千赫兹，这样就能很好地隔绝建筑物传来的低频振动。更高频的机械噪声，则可以用软弹簧加涡流阻尼来消减（图2a）。一套设计良好的系统加低振动的实验室环境，能把针尖和样品的相对振动控制在1皮米以下，对应的电流波动只有百分之几。
要让针尖做原子级的移动又不引入额外噪声，靠的就是压电材料，比如锆酸铅、钛酸铅陶瓷。典型的压电材料，每加1伏电压，长度变化大约1纳米。所以用稳定的高压源控制，既能让针尖稳定在亚皮米精度，又能实现最大约1微米的扫描范围。
但光有压电扫描还不够——换样品的时候，针尖得至少退开1毫米，这么大的位移压电材料做不到。这就需要一套粗进机构，一般用压电电机来实现，也是扫描头的核心部件之一（图2b）。
它的工作原理有点像“走路“：针尖装在一个陶瓷块上，陶瓷块放在压电材料上。压电材料慢慢动的时候，陶瓷块跟着一起动；压电材料快速动的时候，陶瓷块因为惯性来不及动，就停在原地。每动一下，针尖大概前进100纳米。这个过程重复成千上万次，就能实现毫米级的宏观移动。这种“粘–滑“运动虽然能实现大行程，但设计起来难度很高——既要能运动，又要足够刚，共振频率还得达到几千赫兹以上。常见的粗进电机有虱子型、甲虫型、Pan型、单管型等不同结构。
针尖本身不可能出厂就磨到单个原子那么尖，所以实验中一般都要原位处理。最常用的针尖材料是铂铱丝或者钨丝：铂铱丝可以机械切割，也可以电化学蚀刻；钨丝因为脆，一般只能蚀刻。切割的针尖表面氧化膜少，蚀刻的针尖整体外形更规整。
对大多数STM成像来说，针尖整体形状不重要，毕竟只有最顶端的原子产生隧穿电流。但如果做光学相关的实验，针尖的宏观形状影响就很大了，会影响拉曼散射、荧光的等离子体增强效应。
温度对STM也很关键。温度低一点，系统更稳定，而且针尖和样品里的电子热展宽更小，能得到更高的能量分辨率。比如艾格勒最早的5K低温STM，距离噪声低于1皮米，就是用它做出了量子围栏、操纵单个原子的经典实验。后来人们又做到了更低的温度——低到10毫开尔文，还能配合30特斯拉的强磁场工作。反过来，高温STM也有用处，可以在几百摄氏度下原位观察材料生长、催化反应之类的过程。
STM在空气中工作会比较麻烦，因为样品表面容易形成水膜。相对来说，在固液界面上工作反而更稳定，电位和溶液成分都容易控制。
原子力显微镜（AFM）
STM只能测导电样品，这是它的局限。为了把原子分辨率拓展到绝缘体上，人们发明了AFM。
AFM的好处是不挑环境：真空里、空气中、液体里都能用，高温超低温也都可以。它和STM共享很多基础设计，比如振动隔离、扫描系统、粗进机构、针尖处理方法都差不多。最大的区别在于，AFM测的是局域力，不是隧穿电流，所以信号采集和反馈回路不太一样（图1b）。
AFM的核心部件是一根很软的悬臂，针尖就长在悬臂的末端。针尖碰到样品表面，悬臂就会偏转，偏转的大小和力成正比。接触模式的AFM，就是测悬臂的微小偏转，然后用反馈电路控制压电扫描器上下动，保持偏转量不变——也就是保持作用力不变。把扫描过程中每一点的高度记录下来，就是样品的表面形貌。
一个很重要的改进是光杠杆系统：把一束激光打到悬臂背面，反射到探测器上，悬臂偏一点点，光斑就会移动很大一段距离，相当于把微小的偏转放大了，大大提高了信噪比（图3a）。另一个关键发明是液体池，能让悬臂和样品都泡在生理溶液里，这才让生物样品的AFM成像成为可能。
图3 | 原子力显微镜基础。a | 激光束检测针尖–样品相互作用力引起的悬臂偏转。偏转的微小变化，由控制压电扫描器的反馈回路来补偿。b | 调幅AFM和调频AFM（FM-AFM）的工作原理。调幅模式下，频率固定，靠振幅变化控制距离；调频模式下，振幅固定、相位锁定，靠频率偏移控制距离。c | AFM可以记录力–距离曲线，以此算出样品的机械性质，比如局部弹性、塑性变形、粘弹性、能量耗散、压强、张力等等。Fi是压入力。
除了接触模式，还有动态AFM：让悬臂以共振频率振动起来，再去扫样品。最常见的是调幅模式，也叫轻敲模式、间歇接触模式——保持振动频率不变，通过反馈维持振幅恒定来控制距离（图3b）。除此之外还有调频模式、调相模式，分别用频率变化、相位变化做反馈。动态模式的好处是针尖和样品的相互作用更轻柔，对样品的作用力更小。
调频AFM（FM-AFM）常用在超高真空、低温的物理实验里，也用于生物成像。它的精度比调幅模式更高，因为频率和时间的测量精度，本来就比振幅测量高。但调幅模式的力检测更简单、更快，振幅随距离的变化也更单调。
AFM还可以做时间分辨成像，用来观察生物分子机器的工作过程。用共振频率很高的小悬臂，成像速度可以很快，时间分辨率能到100毫秒左右，这就叫高速AFM。
不过总体来说，AFM要得到高分辨率比STM难。因为力有长程的、短程的很多种，力和距离的关系，比STM的电流–距离关系复杂得多。当然现在也能做到亚原子级的分辨率——比如在高真空里用化学修饰的针尖，探测短程力，就能看到电子轨道、化学键这样的细节。
基于AFM还发展出了很多新方法：可以测化学力、磁力、摩擦力，可以做力谱——力的分辨率能到亚皮牛级别；在生物领域还发展出了单分子力谱、单细胞力谱。现在的AFM已经可以做到，在成像的同时，还能定量测出样品的各种物理、化学、生物性质（图3c）。
仪器的进步一直在推动AFM的发展。最早人们用石英音叉做非接触AFM的力传感器，后来又发展出了qPlus传感器——把音叉的一个叉指固定，小振幅下品质因数能到十万左右。它靠石英本身的压电效应工作，形变直接转换成电信号。除了两个电极测形变，还能在石英叉侧面再镀一条金属线，用来通隧穿电流——这样同一套装置就能同时做STM和AFM，而且AFM的分辨率甚至能超过STM。
成像、光谱学与操纵
STM和AFM有一个很强大的特点：同一台仪器，既能成像，又能做局域光谱，还能做原子分子操纵，而且都是原子级分辨率。
先说成像模式。反馈回路打开的时候，STM保持电流恒定、AFM保持力恒定，这是最常用的恒流/恒力模式。这种模式下，针尖离样品近，分辨率高，但针尖也更容易撞坏。
如果关掉反馈，保持针尖高度不变，就是恒高模式。它只能扫很平的表面，好处是没有反馈回路，结果解释起来更直接；缺点是会有热漂移，针尖扫过原子台阶、缺陷、吸附分子的时候，信号会受影响。
再讲光谱。把针尖固定在表面某一个点不动，改变偏压、针尖高度或者时间，记录电流或者力的变化，就是SPM的光谱测量。
对STM来说，这叫扫描隧道谱（STS）：测出来的微分电导（dI/dV）曲线，直接反映样品的电子态密度——电子从费米能级以下的占据态隧穿上来，或者隧穿到费米能级以上的空态去。
多数情况电子是弹性隧穿的，但有时候也会有非弹性隧穿——电子和振动、声子、自旋发生耦合，损失一部分能量。这部分贡献通常很小，在二阶导数谱（d²I/dV²）里会更明显，这就是非弹性电子隧穿谱（IETS）（图4A）。实际做的时候，就是在偏压上叠加一个小的交流调制，用锁相放大器把一阶、二阶信号提取出来（图2a插图）。
对AFM来说，对应的就是力谱：让针尖靠近样品再收回来，全程记录力和距离的关系，得到力–距离曲线（图4B）。从曲线里能分析出针尖和样品之间的排斥力、粘附力，还有样品本身的形变、弹性等参数（框1）。如果每扫一个点都做一条力–距离曲线，就能在得到形貌的同时，得到杨氏模量、能量耗散、压强、张力这些力学参数的分布图（图3c）。
图4 | 扫描探针光谱学和操作示意图。A | 非弹性隧穿（红色）和弹性隧穿（蓝色）示意图。波浪线代表振动激发，会让电导增加。图中同时给出了I–V曲线，以及对应的dI/dV和d²I/dV²谱，非弹性隧穿带来的额外电导出现在±E₀的位置。虚线是弹性和非弹性隧穿的通道，实线是实际数据。B | 典型力–距离曲线示意图。标出了短程作用（绿色：泡利排斥；蓝色：短程化学力）和长程作用（橙色：长程静电力或范德华力）。黑线是吸引力随距离的变化，灰线是排斥力。C | 用STM针尖构造单键的过程：单个分子可以被摘下来（a）、移走（b），再精确放到另一个吸附原子上成键（c、d）。D | 用STM针尖横向拉动吸附原子的过程。标出了跳跃高度（绿箭头）、针尖与被操纵原子的横向距离（红箭头）、针尖高度（蓝箭头）。
单分子力谱学
利用AFM针尖直接探测针尖与生物样品之间的物理相互作用，发展出了单分子力谱技术。简单说，它就是用来测单个受体–配体之间的键有多结实。
早期的做法是：在AFM针尖（或者粘在针尖上的小珠子）上修饰配体，在样品表面（比如基板上的珠子）上修饰受体。针尖凑过去，配体和受体结合；再把针尖拉开，测拉开这个键需要多大的力，这个力就代表了键的机械强度。
这类实验一般要重复几千次，才能统计出足够多的结合、解键事件。用高速AFM配短悬臂，能测更快的动态过程；低噪声AFM的力灵敏度，已经能和光镊相媲美。
最后是操纵。SPM的针尖不只是“看“的探针，还能当纳米手用，挪动单个的原子和分子。
1989年，IBM科学家唐·埃格勒（Don Eigler）用STM针尖在镍表面精准移动35个氙原子，拼出了世界上最小的“IBM”三个字母。每个字母仅5纳米高，这是人类首次实现原子级精准操纵。（图片来源：Cambridge University Press）
原子操纵能力最惊艳的展示之一，是1993年克罗米（Crommie）等人用48个铁原子在铜表面围成的“量子围栏“。铁原子排列成直径约14纳米的圆环，将铜表面的自由电子限制在围栏内，电子形成的驻波图案直接被STM成像出来——这是人类第一次直观“看到“量子力学中电子的波动性。
“量子围栏“：48个铁原子（周围的尖峰）在铜(111)表面排列成直径约14纳米的圆环，围栏内部清晰可见电子形成的同心驻波图案。这是量子限域效应最直观的实验展示，由IBM阿尔马登研究中心的克罗米、卢茨和埃格勒于1993年完成。（图片来源：Astronoo / MIT）
一般是把针尖定位到目标上方，加一个电压脉冲或者施加力，就能实现操纵。注入的电子会激发原子或分子的振动，从而引发扩散、脱附，甚至选择性的断键和成键。
垂直操纵就是“拎起来“：用STM针尖向表面注入电子，把吸附的分子拎起来，移到目标位置上方，再加反向电压把它放下来，形成新的结构（图4C）。横向操纵就是“推着走“：针尖凑到原子或分子旁边，利用相互作用力，拉着或者推着它越过扩散势垒，移动到另一个位置（图4D）。
针尖制备与功能化
要得到高分辨率，针尖足够尖是前提。针尖可以用机械切割/研磨、电化学蚀刻，或者聚焦离子束之类的微加工方法来做。但普通方法做出来的针尖，还达不到原子级成像的要求。
真正理想的、顶端只有单个原子或小原子簇的针尖，一般要在扫描过程中原位处理：比如把针尖往表面上戳一下，蘸取一小簇原子上来。STM里还可以加高压，用场发射来处理针尖，大概1纳米的距离下加10伏左右的电压。
决定SPM空间分辨率的，是针尖最末端的那几个原子，不是针尖整体的曲率半径。如果除了形貌还想要化学分辨力，可以在普通硅针尖上蒸一层金、银之类的贵金属，这种针尖常用来在大气环境下做纳米级化学分析。
在超高真空、低温条件下，最可控的方法是直接在表面上“捡“一个原子或者分子，装在针尖顶端。比如捡一个CO分子装在针尖上，就能用来成像分子轨道——因为CO分子的p轨道有特征性的分布。CO针尖还能探测短程的泡利排斥力，直接反映化学键里的电子密度变化；又因为它的电荷分布类似四极子，对高阶静电力也很敏感。
当然CO针尖也有缺点：CO分子在针尖顶端会横向晃，容易造成图像畸变甚至假象。如果换成氧、氯之类的原子，针尖会更“硬“，晃动更小。但一般来说，这些针尖的分辨率反而不如CO针尖——因为在泡利排斥的距离范围内，CO分子的柔性反而有助于得到更清晰的结构像。
生物成像用的针尖，一般是硅或者氮化硅做的。接触空气、泡过缓冲液之后，表面会形成一层氧化层。想要更尖、纵横比更高的针尖，可以用电子束沉积，在针尖长出一个无定形碳的尖端，再用等离子体处理成亲水的。也有人尝试把碳纳米管接在针尖上，做成超尖、高纵横比的探针，但实际应用不多，主要是碳纳米管容易弯。
总的来说，液体环境里做生物成像，针尖和样品的作用力从短程（1~10纳米）到长程（10纳米以上）都有，包含物理、化学、生物各种相互作用。研究这些相互作用，一个重要的手段就是对针尖进行化学功能化修饰。
— — — — — — — — — —
参考文献
[1] Bian K, Gerber C, Heinrich A J, et al. Scanning probe microscopy[J]. Nature Reviews Methods Primers, 2021, 1: 36.
[2] Binnig G, Rohrer H, Gerber C, et al. Surface studies by scanning tunneling microscopy[J]. Physical Review Letters, 1982, 49(1): 57-61.
[3] Binnig G, Quate C F, Gerber C. Atomic force microscope[J]. Physical Review Letters, 1986, 56(9): 930-933.
[4] Eigler D M, Schweizer E K. Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope[J]. Nature, 1990, 344(6266): 524-526.
[5] Giessibl F J. The qPlus sensor, a powerful core for the atomic force microscope[J]. Review of Scientific Instruments, 2019, 90(1): 011101.
[6] Crommie M F, Lutz C P, Eigler D M. Confinement of electrons to quantum corrals on a metal surface[J]. Science, 1993, 262(5131): 218-220.
[7] Gross L, Mohn F, Moll N, et al. The chemical structure of a molecule resolved by atomic force microscopy[J]. Science, 2009, 325(5944): 1110-1114.
[8] Florin E L, Moy V T, Gaub H E. Adhesion forces between individual ligand-receptor pairs[J]. Science, 1994, 264(5157): 415-417.
