原子力顯微技術專利綜述

伍智勇

摘 要：原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy， AFM）是近代發展起來的掃描探針顯微鏡（Scanning Probe Microscopy， SPM）家族中應用最為廣泛的一員。隨著人類對于探求微觀世界的欲望越來越強烈，AFM將成為科學研究中必不可少的測試手段。本文將對與AFM相關專利申請情況進行分析，并對AFM研究方向與前景作出預測。

關鍵詞：原子力顯微鏡；AFM；前景

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.247

1 引言

AFM通常通過探針與試樣表面進行接觸，并通過光學檢測手段檢測探針所在的微懸臂的形變量來獲取試樣表面的形貌。AFM由于其分辨率高且可應用于液體環境下的特點，目前已被廣泛應用在物理、生物、化學、航天等領域中[1-5]。為了進一步擴大AFM的適用范圍和提高AFM的測量精度，各國科技工作者都紛紛貢獻出自己的力量，使原子力顯微技術呈現出不同發展方向。

2 原子力顯微技術專利申請情況分析

本文以AFM為關鍵詞以發明名稱和關鍵詞為檢索入口，得到全球專利申請量年度分布情況。在全球范圍內，有關AFM的專利申請始于1986年。隨后，全球AFM的申請量呈現出多個發展階段期。例如，1986年至1990年是萌芽階段，該期間全球申請量僅有23個，而從1991年開始全球專利申請量步入快速增長期，先從1991年的17個，快速上升到1994年的92個，并繼續增長至1997年的165個。在快速增長期后進入了一個回落期，首先降至1998年的149個，最后降至2001年的125個，與1997年相比降幅達到25%。在回落期后，申請量又呈現二次增長期，從2001年至2008年申請量逐漸上升，至2008年全球申請量已達287件。在該增長期后，全球增長量步入穩定期，自2008至2014年間，年均申請量為253.8件。

我國AFM專利申請始于1995年，申請量為1件，從1997年至今呈現出逐年增加的趨勢，2014年我國關于AFM的專利申請量達到最大，為119件。對比中國與全球申請量年度分布情況可以發現，國內AFM的發展明顯滯后于全球，不過在2003年后滯后情況開始好轉，并保持了7年的平穩過渡期。

3 原子力顯微技術研究方向與前景預測

本文以中文專利數據庫中分類號為G01Q60/24（AFM或其設備，例如AFM探針）的專利申請為例子，闡述目前AFM的各個研究方向，并對AFM的研究前景進行簡單的預測。

3.1 原子力顯微鏡的組成

專利CN202631568U發明了一種顯微監控型可選區原子力顯微成像裝置，可有效地實現微納米樣品掃描區域的實時監控與選區，并可對激光束與AFM微懸臂的調節與對準過程進行監控，同時，能夠有效地監控樣品與AFM微懸臂（微探針）的微納米逼近過程，克服了常規AFM技術在這些方面的隨機性、盲目性和局限性。

專利CN20259978U發明了一種三掃描器原子力顯微掃描檢測裝置，其包括由探針掃描與光電檢測單元、樣品掃描單元及二維步進掃描單元等組成的三掃描器原子力顯微探測頭，以及由前置放大器、PID反饋單元、XYZ控制模塊一、XYZ控制模塊二、步進控制模塊、計算機與接口等組成的掃描與反饋控制系統，實現了保持納米級掃描精度的同時，對不同尺寸、不同重量的樣品實現一微米至一百微米級范圍的單幅圖像掃描，以及一百微米至毫米級范圍的圖像拼接。

以上兩個發明都對AFM的組成進行了研究開發，提高了AFM的掃描能力和處理能力，從此可以預見今后對于AFM的專利申請的會包含在保持AFM精度的前提下提高AFM掃描能力的研究方向。

3.2 原子力顯微鏡的應用

專利CN102279288A發明了一種采用原子力顯微鏡測量樣品勢壘的裝置以及方法，該裝置的工作原理是：利用探針控制器控制原子力探針以接觸模式工作，通過探測針尖與樣品間力的相互作用維持針尖與樣品間的距離不變，然后在導電原子力探針的針尖和樣品間加直流電壓，這時當導電原子力探針的針尖與樣品間偏壓增大到一個閥值電壓使得表征襯底的第二電流計中出現明顯的電流時，這個值電壓就與針尖下方薄膜與襯底間的局域界面勢壘相當，借此就可以測量一點處的勢壘，最后通過移動探針針尖對樣品逐點測量就可以得到樣品上的界面勢壘在空間上的分布。

專利CN102353815A發明了一種測量材料的表面局域電子態的測量裝置，其主要思想是先用可調波長的單色光光源發出單色光道探針前端，然后通過加在探針和樣品之間的交流電壓使探針振動，用光學檢測器監測振動幅度，然后通過施加直流電壓使探針的振幅為0，這時的電壓即為探針的針尖和樣品的接觸電勢差。通過改變單色光光源發出的單色光的波長，就可以獲得接觸電勢差隨波長的變化曲線，從而測得樣品的局域表面光電壓譜。

以上兩項發明都利用了AFM探針和樣品直接接觸或接近時會有力作用的原理，巧妙地利用該力作用轉化成為需要的電勢作用等，由此我們可以看到，對于AFM的研究發展趨勢包括了間接利用AFM原理而測量其他電信號的方面，因此在往后的AFM專利研究中該方面將占據一定的地位。

4 小結

本文對原子力顯微技術的起源和原理進行了介紹，通過對與原子力顯微鏡相關的專利申請進行了統計分析，并通過對幾個專利申請進行介紹以揭示原子力顯微技術的研究和發展方向。

參考文獻：

[1]CN202631568U、CN20259978U、CN102279288A、CN102353815A

[2]蔡小芳.原子力顯微鏡在細胞力學性質方面的研究與應用[R]. 中國組織工程研究與臨床康復，2008，12（48）：9573.

[3]鮑海飛.基于原子力顯微鏡的微納結構力學測試系統[J].機械強度，2007，29（02）：223.

[4]M. Lanza. A Review on Resistive Switching in High-k Dielectrics： A Nanoscale Point of View Using Conductive Atomic Force Microscope. Materials. 2014，7：2155.