原子力显微技术专利综述

伍智勇

摘 要：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。

关键词：原子力显微镜；AFM；前景

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

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。对比中国与全球申请量年度分布情况可以发现，国内AFM的发展明显滞后于全球，不过在2003年后滞后情况开始好转，并保持了7年的平稳过渡期。

3 原子力显微技术研究方向与前景预测

本文以中文专利数据库中分类号为G01Q60/24（AFM或其设备，例如AFM探针）的专利申请为例子，阐述目前AFM的各个研究方向，并对AFM的研究前景进行简单的预测。

3.1 原子力显微镜的组成

专利CN202631568U发明了一种显微监控型可选区原子力显微成像装置，可有效地实现微纳米样品扫描区域的实时监控与选区，并可对激光束与AFM微悬臂的调节与对准过程进行监控，同时，能够有效地监控样品与AFM微悬臂（微探针）的微纳米逼近过程，克服了常规AFM技术在这些方面的随机性、盲目性和局限性。

专利CN20259978U发明了一种三扫描器原子力显微扫描检测装置，其包括由探针扫描与光电检测单元、样品扫描单元及二维步进扫描单元等组成的三扫描器原子力显微探测头，以及由前置放大器、PID反馈单元、XYZ控制模块一、XYZ控制模块二、步进控制模块、计算机与接口等组成的扫描与反馈控制系统，实现了保持纳米级扫描精度的同时，对不同尺寸、不同重量的样品实现一微米至一百微米级范围的单幅图像扫描，以及一百微米至毫米级范围的图像拼接。

以上两个发明都对AFM的组成进行了研究开发，提高了AFM的扫描能力和处理能力，从此可以预见今后对于AFM的专利申请的会包含在保持AFM精度的前提下提高AFM扫描能力的研究方向。

3.2 原子力显微镜的应用

专利CN102279288A发明了一种采用原子力显微镜测量样品势垒的装置以及方法，该装置的工作原理是：利用探针控制器控制原子力探针以接触模式工作，通过探测针尖与样品间力的相互作用维持针尖与样品间的距离不变，然后在导电原子力探针的针尖和样品间加直流电压，这时当导电原子力探针的针尖与样品间偏压增大到一个阀值电压使得表征衬底的第二电流计中出现明显的电流时，这个值电压就与针尖下方薄膜与衬底间的局域界面势垒相当，借此就可以测量一点处的势垒，最后通过移动探针针尖对样品逐点测量就可以得到样品上的界面势垒在空间上的分布。

专利CN102353815A发明了一种测量材料的表面局域电子态的测量装置，其主要思想是先用可调波长的单色光光源发出单色光道探针前端，然后通过加在探针和样品之间的交流电压使探针振动，用光学检测器监测振动幅度，然后通过施加直流电压使探针的振幅为0，这时的电压即为探针的针尖和样品的接触电势差。通过改变单色光光源发出的单色光的波长，就可以获得接触电势差随波长的变化曲线，从而测得样品的局域表面光电压谱。

以上两项发明都利用了AFM探针和样品直接接触或接近时会有力作用的原理，巧妙地利用该力作用转化成为需要的电势作用等，由此我们可以看到，对于AFM的研究发展趋势包括了间接利用AFM原理而测量其他电信号的方面，因此在往后的AFM专利研究中该方面将占据一定的地位。

4 小结

本文对原子力显微技术的起源和原理进行了介绍，通过对与原子力显微镜相关的专利申请进行了统计分析，并通过对几个专利申请进行介绍以揭示原子力显微技术的研究和发展方向。

参考文献：

[1]CN202631568U、CN20259978U、CN102279288A、CN102353815A

[2]蔡小芳.原子力显微镜在细胞力学性质方面的研究与应用[R]. 中国组织工程研究与临床康复，2008，12（48）：9573.

[3]鲍海飞.基于原子力显微镜的微纳结构力学测试系统[J].机械强度，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.