1 引言
如何观测更小尺寸的空间结构是科学家们一直努力的重要方向。1982年，Binning等1利用电子隧穿效应发明了扫描隧道显微镜(STM)，使得对导电材料(导体、半导体)的微观结构和物理化学性质研究提升到原子级尺度。STM的衍生功能扫描隧道谱(STS)可以给出样品在能量空间内的电子态分布，以及自旋态、电子输运等性质。空间和能量的高分辨率使得STM/STS技术在研究二维表面量子点、单分子等纳米尺寸体系具有极大的优势。然而，由于STM利用针尖-样品间隧道电流作为探测信号，这使得其研究的体系局限在导电样品。为了进一步拓宽扫描探针技术的研究领域，1986年Binnig等2发明了原子力显微镜(AFM)，通过探测针尖-样品间的相互作用力表征样品表面的微区形貌信息。AFM的探测对样品导电性质无特殊要求，可以表征绝缘体表面的物理形貌，大大弥补了STM的研究局限。此外，AFM的力谱测量可以通过探测样品的局域力信号反映样品表面局域带电态、功函数、甚至化学成键力等信息。但由于针尖-样品间的力信号并非单调函数，且成分来源非常复杂，很难将力作为反馈回路的标量，因此AFM的分辨率在发明之后的十几年时间内都无法与STM相比拟。qPlus传感器的发明及引入大幅度提高了AFM的分辨率，超越了STM对分子内部原子结构的分辨率3。
本文首先介绍qPlus型非接触原子力显微镜(NC-AFM)的基本工作原理，然后介绍qPlus NCAFM的两种工作模式的应用：高分辨成像获得分子内和分子间原子结构，以及力谱测量获得表面元素及成键力信息；最后介绍近年来NC-AFM在表面在位化学反应、低维材料、三维成像探测、开尔文探针力显微镜(KPFM)等方面的应用，并探讨了该技术前沿发展面临的挑战和机遇。
2 NC-AFM工作原理
NC-AFM分为振幅调制和频率调制两种工作模式，目前超高真空体系中基于qPlus传感器的NC-AFM一般使用频率调制模式4。频率调制AFM的基本工作原理是针尖悬臂在外力的驱动下以自由共振频率f0简谐振动，振幅(A)保持恒定，当针尖逼近样品时，针尖-样品之间的相互作用力梯度发生变化，引起悬臂共振频率的偏移(Δf)，利用Δf和针尖高度的关联进行成像。NC-AFM的信号检测电路(图1(A))主要由振幅控制模块和频率测量模块两部分组成。针尖悬臂振动信号经过带通滤波器后分成三路：一路信号进入交流直流转换器，将悬臂振幅转化为直流信号，并与振幅设定值比较(两者的差为能量耗散)，通过比例-积分-微分控制器(PID)控制，调整激励信号，使得AFM悬臂保持恒定振幅振动；一路信号输入到相位调节器，经过π/2的相位移后返回激励陶瓷，与交流直流转换器共同组成振幅控制模块(灰色虚线框标记部分)；另一路信号经过基于锁相环(PLL)的频率调制解调器后得到频率偏移信号，与控制针尖高度的模块相结合进行不同模式的成像5。
图1
类比于STM工作模式有恒电流和恒高度两种模式，NC-AFM也具有恒频率偏移和恒高度两种主要成像模式。在恒频率偏移成像模式下，通过振幅反馈回路使音叉悬臂保持恒定振幅，通过频率反馈回路调整针尖和样品间的距离保持频率偏移恒定(Δf)，所获得图像为恒定力梯度下的样品表面形貌高度图。在恒高度成像模式下，断开频率偏移控制的反馈回路保持针尖高度恒定，探测扫描过程中的频率偏移变化，所获图像为恒定高度下的样品表面力梯度图。
NC-AFM之所以能够达到亚分子级分辨，甚至亚原子级分辨率，主要原因是qPlus传感器7-9(如图1所示)的引入。qPlus传感器使用高弹性常数(~1800 N·m-1)的石英音叉作为悬臂代替传统AFM使用的硅悬臂，石英音叉在针尖-样品的作用力可以以非常小的振幅( < 100 pm)稳定成像。此外，qPlus传感器还具有以下优势：qPlus传感器使用导电的金属针尖，可以同时获得STM和AFM信号，可以给出更丰富的样品信息；qPlus音叉使用的石英晶体是压电晶体，振动时会产生和振幅成比例的压电信号，属于自检测传感器，不需要激光检测，适用于极低温工作环境；相比于传统硅悬臂，qPlus传感器体积较大，属于宏观物体，易于集成功能化的针尖。
针尖-样品之间的总作用力是吸引力和排斥力加和，如图1C所示。从作用范围的不同可以分为长程力和短程力：其中长程力包括范德华力、静电力、磁力；短程力包括化学成键力和泡利排斥力。范德华力产生的原因是原子与原子之间的局域瞬时偶极作用；针尖和样品间的电势差，或功函数差可以产生长程的静电力；在微观上长程的静电力的加和可以产生短程的静电力，其大小随距离指数衰减。短程化学力可分为短程化学成键力和短程泡利排斥力：短程化学成键力衰减长度在化学键长度的量级，由于化学键力很大又相对局域，所以在理想的体系中可以获得很高的分辨；短程泡利排斥力来源于量子力学中电子的量子数不能全同导致的短程排斥力，具有最高的空间局域性。相比于长程力，短程力有更大的力梯度，对Δf的贡献也更大，所以降低针尖的振幅可以一方面大大提高短程力的敏感性，另一方面降低振幅还可以大大降低长程力的贡献，消除长程力的背景。目前认为，在单分子内的原子分辨上起主要贡献的是泡利排斥力3, 10, 11。
3 qPlus NC-AFM的工作模式
3.1 高分辨成像
实现分子内部单原子的识别是表面显微技术的重要目标。STM可获得原子级的图像，但由于隧穿电流主要探测的是费米面附近的局域电子态密度，因此对于分辨吸附分子内部的原子结构有一定的难度。NC-AFM探测的是针尖与样品原子间的相互作用力，在成像区域起主要贡献的是短程泡利排斥力，其探测的实质为分子内部总电子密度的分布，这使得AFM在理论上具有比STM更高的空间分辨能力。为了达到NC-AFM的超高分辨率，针尖需要满足两个条件：一是化学惰性，保证针尖与样品分子之间的弱相互作用力，避免分子被针尖操纵；二是针尖尖端必须尖锐，针尖半径足够小(亚纳米尺度)从而确保可以获得原子级别的分辨，这两个条件保证了针尖可以逼近表面吸附的分子从而达到成像所需的泡利排斥力区域。
图2
图2
单分子内原子结构高分辨成像
Fig 2
High resolution imaging of the intramolecular atomic structures
(A) ball-and-stick model of the pentacene molecule; (B, C) constant-current STM and constant-height NC-AFM images of pentacene acquired with a CO-modified tip3; (D, E) atomic model and constant-height NC-AFM image of hexabenzocoronene (HBC) on Cu (111)12; (F, G) ball-and-stick model and the NC-AFM constant-height image of perylene-3, 4, 9, 10-tetracarboxylic dianhydride (PTCDA) at room temperature14
除了能够分辨分子内部的原子结构，NC-AFM技术还被用于化学键键级研究。2012年，Gross等12利用同样的针尖研究了C60分子、六苯并蒄等分子的C-C键级。利用NC-AFM技术识别键级的机制有两种：一是电子密度随键级的增大而增大，在相同高度下高键级区域与针尖之间具有更大的泡利排斥力，因此在AFM图像中呈现更亮的衬度；二是由于化学键长随着键级的增大而减小，结合针尖上修饰的CO分子的偏转作用可以判断其键级大小。由于CO针尖的偏转作用，AFM图像中所有化学键长都被放大，无法利用测量值与理论键长直接进行比较，但可以利用不同位置化学键的测量值进行对比获得其键级信息。例如，图2(D, E)是六苯并蒄分子的结构模型与NC-AFM图像，其中i键比j键具有更高的键级，因此在图像中呈现更高的亮度和更短的键长。化学键级的区分对于确认分子化学结构、异构化反应和石墨烯原子缺陷周围的结构弛豫等研究具有重要意义。值得注意的一点是，图2C并五苯分子长轴两端的苯环边缘和图2E六苯并蒄分子的边缘都比分子内部化学键的亮度高，这一结果是由于π共轭类分子体系的电子离域作用导致分子边缘处电子密度升高导致。为了保证针尖及样品的稳定性，大多NC-AFM图像的采集需要在液氦温度，极少数结果在液氮温度下获得13。随着技术的进一步发展，2015年德国雷根斯堡大学的Giessibl等14首次在室温下利用qPlus传感器及W针尖获得了苝四甲酸二酐分子的AFM图像(图2(F, G))。这一成果对于将qPlus NC-AFM技术应用于常温化学反应及分子结构识别等领域具有突破性的意义15-17。
除了分子内部原子结构和化学键的识别，qPlus NC-AFM也可以识别分子间相互作用。2013年，裘晓辉等18以Cu (111)单晶表面吸附的8-羟基喹啉分子为研究体系，首次利用qPlus NC-AFM技术实现了实空间对分子间氢键的成像。如图3(A-D)所示，8-羟基喹啉分子在Cu表面形成四聚体结构，NC-AFM图像中除了分子骨架外，相邻分子之间存在类似共价键特征的亮线，与分子团簇结构模型中的氢键位置相对应。除O-H…N类型的典型氢键外，由苯环上的C-H和相邻的O原子或N原子之间形成的非典型氢键也可以被清晰地观测。此外，8-羟基喹啉分子脱氢后还可以与基底表面的铜增原子通过金属配位键形成规则的三聚体结构，NC-AFM图像可以同时实现对金属配位键和外围非典型氢键的实空间成像。卤键是一种类似氢键的分子间的相互作用，是由卤素原子的亲电位点(称为σ-hole)和另一原子的亲核位点之间形成的非共价相互作用。Cl、Br、I等卤素原子形成卤键的键能逐渐增大，F原子由于难以形成σ-hole，因此F原子之间认为没有卤键存在。2015年，瑞士巴塞尔大学的Meyer等19利用NC-AFM在Ag (111)基底上BPEPE-F18分子组装体系中发现了C-F…F间形成的类卤键结构(图3(E, F))。
图3
图3
分子间化学键高分辨成像
Fig 3
High resolution imaging of the intermolecular chemical bonds
(A, B) constant-height NC-AFM image of typical 8-hydroxyquinoline (8-hq) molecule-assembled clusters (CO-tip) and the corresponding structure model; (C, D) constant-height NC-AFM image (CO-tip) and the corresponding density functional theory (DFT) calculated structure models of trimer (Cu3q3) complexes (q, dehydrogenated 8-hq)18; (E) constant-height NC-AFM image of the self-assembly fluoro-substituted phenyleneethynylene (BPEPE-F18), taken with a CO-terminated tip. The unit cell is shown by a black rectangle; (F) magnified NC-AFM image with a superimposed stick-and-ball drawing of the molecules19; (G) AFM image of the bis (para-pyridyl) acetylene (BPPA) tetramer taken with a CO terminated tip showing apparent intermolecular bonds; (H) schematic of the BPPA tetramer21
分子间氢键和卤键被实空间观测对于研究分子间弱相互作用力具有重要意义。氢键之所以能够被NC-AFM观测到，最初的解释是由于氢键的形成增大了该处的电子密度，因此针尖可以探测到增强的泡利排斥力，故而可以获得氢键成像18。之后，捷克科学院的Hapala等20利用CO针尖建立模型模拟发现，单纯利用针尖尖端CO分子所受范德华力引起的偏转，也可以实现上述结果显示的分子间氢键衬度特征。由于在图像模拟中未考虑分子间电子密度的作用，因此他们认为NC-AFM图像中针尖偏转对分子间作用力成像起了主要作用。随后，芬兰阿尔托大学的Liljeroth和荷兰乌特勒支大学的Swart等21利用二对吡啶基乙炔(BPPA)分子自组装体系对该问题进行了进一步的研究。BPPA分子利用分子间氢键形成四聚体结构(如图3(G, H)所示)，示意图显示上下两个BPPA分子之间未直接形成化学键，但相对的两个N原子之间在NC-AFM图像中出现亮线。利用CO软性针尖进行Lennard-Jones势模拟图像与实验结果相似。因此他们认为针尖偏转在AFM成像上具有重要的影响：一方面使化学键的AFM衬度锐化，易于得到分子内部原子结构，另一方面在相邻非常近但未成键的两原子之间，偏转效应会使图像中出现成键的假象。
3.2 针尖-样品作用力谱测量
NC-AFM的力谱功能可以定量测量针尖-表面之间的相互作用力和能量，是研究高分辨成像和原子/分子操纵机理的关键。力谱是在特定的位置上记录针尖-样品相互作用力梯度(即Δf)与针尖-表面间距(d)的关系，即Δf(d)曲线，利用Sader和Jarvis31提出的转换关系可以将Δf(d)曲线转化为F (d)曲线。当针尖与样品之间距离较远时，其作用力包括宏观尺度的范德华力、针尖尖端与样品的局域范德华力、偶极或带电样品引起的静电力，短程的泡利排斥力在此时可以忽略。针尖与样品之间距离较近进行成像扫描时，泡力排斥力对成像起主导作用，但长程的范德华力和静电力仍有作用(图4A)。因此，定量研究针尖与样品间的短程泡利排斥力时需要在总力谱的基础上扣除长程力背景(图4B)32。
图4
图4
针尖-样品间作用力测量
Fig 4
Force spectroscopy measurement between tip and sample
(A) schematic of the proposed tip model imaging the surface and a small molecule. The main contributions to force are macroscopic vdW interactions, local vdW interactions, and midrange electrostatic interactions33. (B) curves obtained with analytical expressions for the long-range force, the shortrange force, and the total force to illustrate their dependence on the absolute tip-surface distance34. (C) constant frequency shift image of the Si (111)7 × 7 surface. (D) total force (red line with symbols) and short-range force (yellow line) determined above the adatom site labeled 2 in (C). in the inset, the measured short-range force is compared with a first-principles calculation (black line with symbols)35. (E) dynamic force microscopy topographic images of a single-atomic layer of Sn grown over a Si (111) substrate. (F) sets of short-range force curves obtained over structurally equivalent Sn and Si atoms. The curves in each set are now normalized to the absolute value of the minimum short range force of the Si curve (|FSi (set)|). (G) topographic image of a surface alloy composed by Si, Sn and Pb atoms blended in equal proportions on a Si (111) substrate. Blue, green, and red atoms correspond to Sn, Pb and Si, respectively. (H) distribution of maximum attractive total forces measured over the atoms in (G)34. color online
2001年瑞士巴塞尔大学的Lantz等35首次在低温下利用力谱技术测量了Si针尖与Si (111)-(7 × 7)表面Si原子悬挂键间形成的共价键力的大小为2.1 nN，如图4(C, D)所示。这一结果是化学成键力测量上的突破性进展。2007年，日本大阪大学的Morita等34在室温下利用不同结构的针尖测量了Si基底上沉积Sn分子后针尖与Si原子和Sn原子间的力谱，将每种针尖测得的短程力谱根据Si原子力谱的最大吸引力进行归一化后得到Sn原子和Si原子力谱的最大吸引力比值为0.77 : 1 (图4(E, F))。同样的方法可得到Pb原子和Si原子力谱的最大吸引力比值为0.59 : 1。基于以上结果，在Si (111)基底上Si、Sn、Pb合金材料上通过区别不同原子与针尖之间吸引力最大值的差别，可以实现Si、Sn、Pb化学元素的识别(图4(G, H))。NC-AFM的成像技术和力谱测量相结合，有利地推进了扫描探针技术对尺度空间和能量空间分辨率的提高，为研究原子或分子间相互作用及化学键的形成具有重要意义。值得注意的是，以上提到的研究结果都早于qPlus传感器的发明，是利用悬臂梁针尖测量所得。近期(2016年)日本的Kawai和芬兰的Foster等36利用Xe原子修饰的qPlus针尖测量了惰性气体原子Ar-Xe、Kr-Xe和Xe-Xe之间的范德华力分别为20、27、34 pN，远小于Si原子之间的共价键力。
4 qPlus NC-AFM的前沿进展和应用
4.1 针尖修饰对成像的影响
目前，对于表面吸附分子的结构识别和化学反应研究一般选择CO分子修饰的针尖。修饰步骤如下：首先将CO分子沉积在基底表面，将NCAFM针尖置于CO分子上方，在针尖方向施加-2.8 V的恒定电压激发CO分子跳到针尖端，若重复扫描图像发现CO分子消失且分辨率得到极大地提高则认为CO分子已修饰到针尖尖端。尖端修饰的CO分子的偏转极大地提高了分子内部原子结构的AFM分辨率，但同时也带来了图像扭曲的问题(图5A)。惰性气体如Xe原子可以在金属基底、NaCl基底或分子自组装网格上吸附并修饰针尖，将针尖置于Xe原子上方，下压0.3 nm，继续扫描发现该处Xe原子消失，且图像分辨率显著提高，证明Xe原子被修饰在针尖尖端37。对同一个分子的成像结果显示Xe针尖的分辨率低于CO针尖，但分子成像的扭曲程度比CO针尖小(图5B)。与CO修饰针尖相比，Xe针尖的一个优点是在STM成像实验中避免CO中O原子p波函数态对分子轨道成像的贡献48, 49。Kr针尖的制备方法类似Xe针尖，但稳定性比Xe针尖弱。卤素原子的提取方法与Xe原子类似，Cl原子通常来源于NaCl晶体，Br原子通常来源于从有机分子上断键后的游离Br原子。卤素原子修饰的针尖分辨率比CO针尖低，但是图像扭曲程度也较低，这主要是由于卤素原子的偏转效应比CO分子弱(图5(C, D))3, 50。Br原子虽然比Cl原子半径大，但成像分辨率相近。Br针尖的优势在于易于制备，并且可以对NaCl上的DBA单分子进行“pulling”模式的横向操纵，这对于其他修饰针尖来说是比较困难的37。
图5
图5
不同针尖修饰对成像的影响
Fig 5
Effect of different tip modifications on imaging
(A, B) constant-height NC-AFM images of a dibenzo (cd, n) naphtho (3, 2, 1, 8-pqra) perylene (DBNP) molecule on NaCl (2ML)/Cu (111) with CO tip and Xe tip, respectively; (C, D) constant-height NC-AFM images of a dibromoanthracene (DBA) molecule on NaCl (2ML)/Cu (111) with a Cl tip and Br tip, respectively37; (E) vertical force cut of the 3D NC-AFM data set on the striped Cu (110)-(2 × 1) O added-row reconstruction. The inset is the structural models of O terminated Cu tip. (F) constant-height NC-AFM image recorded on a single dicoronylene (DCLN) adsorbed on Cu (110) with an O terminated Cu tip38
4.2 对低维纳米材料的研究
低维材料是当今材料学科和物理化学研究中的重要研究方向，其中以石墨烯为代表的一维/二维材料的表面原位合成研究至关重要。对于表面低维材料的结构研究多以STM为主，但是对于石墨烯以及石墨烯纳米带(GNRs)这类具有较强电子离域性质的材料来说，STM图像呈现的是材料整体的电子态信息，难以直观地确定材料的原子结构、缺陷和边界结构等。NC-AFM技术有效地解决了这些问题。由于石墨烯具有化学惰性，且尺寸较大不易被针尖操纵，所以可以直接用金属针尖对石墨烯进行NC-AFM成像。图6(A, B)是分别用W针尖和CO针尖对Ir (111)基底上的石墨烯进行成像，可以识别长程的摩尔条纹(周期~2.5 nm)51。活性金属针尖扫描时，石墨烯晶格呈现六方对称的点状，在该状态下降低针尖高度，图像会发生反转呈现蜂窝状晶格。而电学非活性的CO针尖扫描时，石墨烯在所有高度下只呈现蜂窝状晶格。对于GNRs、NC-AFM的成像能够提供更为精细的结构信息，图6C左下角是GNRs的STM图像，条带区域呈现均一的电子态。而相对应的利用CO针尖扫描获得的AFM图像中可以清晰的观测GNRs的原子结构。该GNRs是由六排碳原子组成的具有锯齿型边界的纳米带，简称6-ZGNRs (6-zigzag graphene nanoribbons)，边界C由H原子终止。对6-ZGNRs进行边界修饰可以得到图6D所示的原子结构，在6-ZGNRs的两个锯齿型边界上分别修饰了周期性的荧蒽基团，边界的C原子仍由H原子终止，而不以自由基形式存在52。NC-AFM图像还可以分辨GNRs中的掺杂原子，如图6E所示，GNRs中衬度较暗的区域是对位的两个B原子掺杂(标记为红点)，呈现与C原子差别较大的AFM衬度不仅是由于B原子的缺电子特性导致该位点的电子密度较低，更主要的原因是由于在该结构中B原子在高度上比C原子低30 pm53。此外，NC-AFM还可以研究其他类型的缺陷态，例如图6F所示的两GNRs交界处形成的非完美融合中的五七元环结构等54。以上这些结构信息对研究GNRs的物理性质和边界态结构具有重要意义。
图6
图6
qPlus NC-AFM在低维纳米材料中的应用
Fig 6
Applications of qPlus NC-AFM in low dimentional nanomaterials
(A, B) constant-height NC-AFM images of epitaxial graphene on Ir (111) with a metallic tip and CO tip, respectively51. (C) constant-height NC-AFM image taken with a CO tip. Intra-ribbon resolution shows the formation of 6-zigzag graphene nanoribbons (6-ZGNRs) with atomically precise CH edges. (D) constant-height NC-AFM image of edge-modified ZGNR52. (E) constant-height NC-AFM image of fused n=14 B-GNR53. (F) constant-height NC-AFM image of the junction between two 7-armchair graphene nanoribbons (7-AGNRs) and one 14-AGNR54. (G) NC-AFM image representing a single atomically resolved constant-height measurement of two-dimensional silica56
除了石墨烯、石墨烯纳米带等导电材料，NCAFM对于氧化物、氮化物等绝缘材料的结构研究也具有一定的优势55。例如对非晶态的二维SiO2成像可以确定Si-O-Si键的结构以及无定型的表面环状结构(如图6G所示)56。目前为止，利用qPlus NC-AFM研究绝缘材料表面原子结构的工作，大多是基于金属单晶表面的超薄层样品，只有少数研究是基于严格意义上的体相绝缘体材料。从基本原理上分析，qPlus NC-AFM用于研究体相绝缘材料是可行的，但在实际应用中存在一定的困难。首先，体相绝缘材料与针尖之间具有电势差，由于qPlus针尖弹性常数大，工作振幅极小( < 100 pm)，需要在较小的针尖-样品距离下才能得到成像，而在此状态下，针尖-样品间电势差引起的静电力无法估量；第二，针尖形状和尖端修饰的分子对AFM成像分辨率具有极大的影响，纯绝缘体表面很难对针尖进行原位处理或修饰。因此目前研究的体相绝缘体材料大多是平整度较高的晶体，例如NaCl等。如何克服以上难点将qPlus NC-AFM更广泛地应用于体相绝缘体材料对于一些催化体系的活性位点、燃料电池材料的工作机制的研究具有重要意义。
4.3 表面化学反应研究
观测化学反应过程中分子和原子的重组对催化机理研究具有重要意义，也是表面物理化学研究中的巨大挑战。2013年，加州大学伯克利分校的Crommie和Fischer等57利用NC-AFM首次观测了Ag (100)基底上oligo-(phenylene-1, 2-ethynylenes)单分子的内部原子结构以及在该表面的单分子环化反应过程。反应物和产物分子的STM图无法直观解析分子结构(图7(A-C))，但相对应的NCAFM图像(图7(D-F))可以提供分子内部的原子排列的结构信息。除了分子中原子位置和共价化学键之外，反应物分子中两苯环之间的C≡C键也可以清晰地分辨，这是由于三键区域具有较高的电子密度导致。而分子外围AFM衬度的增强则是由与该处具有较小的范德华吸引力背景，离域π电子体系边缘处的电子密度增强和分子平面的扭曲等因素造成的。产物分子中可以清晰地分辨分子环化反应后形成的四元、五元、六元环以及分子边缘C原子连接的氢原子。通过AFM高分辨图像确定的原子结构证实反应物和多种产物具有同样的分子式，因此该表面环化反应是反应物分子的异构化过程。随后，他们用同样的方法研究了oligo-(E)-1, 1′-bi (indenylidene)分子在Au (111)表面的环化和双自由基聚合反应和1, 2-bis (2-ethynyl phenyl) ethyne分子的二聚体偶联和环化过程(图7(G-I))，并通过反应中间产物确定了该反应的复杂路径，并提出该反应路径不仅决定于表面能量耗散，也取决于反应熵增加58, 60。
图7
图7
qPlus NC-AFM在表面化学反应中的应用
Fig 7
Applications of qPlus NC-AFM in on-surface chemical reactions
(A) STM image of the reactant molecule of oligo-(phenylene-1, 2-ethynylenes) on Ag (100) before annealing; (B, C) STM images of individual products on Ag (100) after annealing at T > 90 ℃; (D-F) Constant-height NC-AFM images of the same molecule depicted in A-C57; (G) constant-height NC-AFM image of the two conformational isomers of precursor molecule oligo-(E)-1, 1′-bi (indenylidene); (H) constant-height NC-AFM image of an oligomer chain on Au (111); (I) schematic representation of chemical structure of the oligomer58; (J, K) constant-height NC-AFM images of 10, 11-diiodonaphtho[1, 2, 3, 4-g, h, i]perylene (DINP) and the aryne molecule after iodine dissociation of DINP; (L, M) the Laplace-filtered representations of individual aryne and the naphtho[1, 2, 3, 4-g, h, i]perylene (NP) molecules; (N, O) colour-coded C-C bond orders for Kekulé depictions of alkyne and cumulene59
4.4 三维成像技术
由于qPlus NC-AFM成像的主要贡献来源于针尖与样品之间的短程泡利排斥力，因此针尖与样品间工作距离非常近，通常在1 nm以内，这导致qPlus NC-AFM的应用主要局限在平面分子或二维结构表面等起伏较小的材料样品体系。近几年，人们开始致力于发展qPlus NC-AFM在三维成像上的应用，并拓展了多种不同的方法。2009年，耶鲁大学的Schwarz等62, 65发明了一种利用NC-AFM探测样品表面三维力场/势场的方法(见图8A)。(1)首先在样品表面合适的高度(样品表面可被清晰表征的高度)利用恒高模式进行AFM扫描，获得该高度下的Δf图像；(2)逐级增加针尖高度进行恒高AFM成像，直至成像无明显样品信号，标记为h0；(3)利用成像的样品某一点作为标记，将不同高度下的NC-AFM图像进行x、y方向的校正，选取被所有图像记录的区域，从获得的图像中可以得到高度< h0处各位点的Δf(d)谱，将高度>h0处的频率偏移谱利用该位点处采集的距离较远的Δf(d)谱补齐；(4)利用Δf(d)谱计算得到F(d)和E(d)，即可以得到无漂移偏差、原子级分辨的三维力场F(x, y, z)和三维势场E(x, y, z)。该方法可以得到样品表面精确的势场分布。这些三维成像或三维势场成像技术对于研究单原子扩散、缺陷态、表面催化等具有极大的优势，对研究表面三维结构和化学力场是突破性的进展，在诸多前沿领域如催化、薄膜生长、摩擦学等方向都具有广阔的应用前景。
图8
图8
qPlus NC-AFM的三维成像
Fig 8
3D imaging of qPlus NC-AFM
(A) 3D-NC-AFM data acquisition scheme62. (B) molecular structure of diphenanthro[9, 10-b:9′, 10′-d]thiophene (DPAT) identification from 3D data set: to resolve the molecular structure from constant-height NC-AFM images, the 3D data set is displayed along three different planar cross sections. While one of them is parallel to the surface, the other two are aligned with respect to the two carbon rings that are tilted with respect to the surface (green and red)63. (C) schematic representation of the multipass method for intramolecular resolution using AFM. (D) constant-Δf NC-AFM image associated with the first line scans over a pentacene molecule adsorbed on the (101) anatase surface. (E) image of the second line scans following the topography registered during the first line scan. The offset distance the probe was approached toward the surface during the second line scan was 0.3 nm. (F) constant-Δf NC-AFM image of a C60 molecule deposited on the (101) anatase surface obtained by applying the multipass method described in the text. The inset is a ball-and-stick model of the C60 molecule. (G) image of the second line with a distance offset of 0.21 nm64
2015年，德国雷根斯堡大学的Albrecht等63利用CO针尖研究了非平面分子二菲并[9, 10-b:9′, 10′-d]噻吩(DPAT)的表面吸附和环化反应。DPAT分子的两个分支由于空间位阻的作用无法存在于同一平面内，当分子吸附在Cu (111)表面时，一个分支与表面平行，另一分支的两个苯环与表面分别形成10°和23°的夹角，如图8B左图。为了能够准确地表征与平面具有一定夹角的分子结构，将扫描平面进行一定的旋转，直至获得非平面区域清晰的原子结构图像。利用这一方法一方面可以有效地得到立体分子原子结构，另一方面可以根据旋转角度确认分子立体部分与平面部分之间的夹角。但对于夹角太大的立体分子不能单纯利用该方法确认分子内部夹角，因为针尖CO的偏转会对成像分析具有一定的影响。
对于表面催化或表面在位化学反应，分子在基底上的吸附位点和角度等对催化或反应活性具有重要的影响。由于高度的差异，通常AFM只能够分别分辨吸附分子或基底的原子结构，2015年，日本国家材料科学研究所的Moreno等64提出了一种利用多通道AFM同时分辨分子结构和基底结构的方法。首先接通恒Δf反馈回路，对样品表面形貌进行一次AFM扫描(图8(D, F))，然后断开反馈回路，将针尖沿一次扫描的形貌路径进行二次扫描，但二次扫描需要在针尖上施加高度补偿将针尖置于更靠近样品的位置以保证获得清晰的原子分辨图像(图8(E, G))，他们利用这一方法同时获得基底锐钛矿(101)和其表面吸附的并五苯分子和C60分子的原子结构。这种方法有望被应用于非平面纳米结构的研究，例如纳米管、纳米颗粒、聚合物和生物分子等。
4.5 表面电荷分布的测量
通过测量不同电荷状态下针尖与样品的接触势差，即KPFM中的局域功函数差，可以实现对表面分子或原子/离子电荷分布或带电性质的测量69-72。2012年，Mohn等66采用qPlus-AFM的KPFM成像模式，通过测量萘酞菁分子内部的局域功函数差，获得了分子内的电荷分布的亚分子分辨图像(图9A-C)。具体测量模式为将萘酞菁分子所在的区域分为64 × 64个像素点，在恒高模式下，在每个像素点处做Δf(V)谱(在保持针尖-样品间距离恒定下，频率偏移随针尖和样品间偏压变化曲线)，得到分子内不同位点的局域接触势差。这对应于分子内不同位点的带电状态或电荷分布，这种方法可以实现对由于氢原子位置改变引起的分子内电荷分布的识别。通过利用CO分子修饰针尖，可以进一步提高分辨率。2009年，Gross等73通过针尖施加电压脉冲，让吸附在NaCl薄层上的金属Au和Ag原子分别得到和失去一个电子，得到Au-和Au+离子。通过比较在中性原子和带电离子上获得的Δf(V)谱，发现中性原子与带电离子的局域功函数差有约30 mV，且正离子和负离子具有相反的局域功函数差，实现了原子不同带电状态的识别和测量。通过针尖操控，可以实现Au-离子、Au原子和Au+离子的三态电荷调控(图9(D, E))67。对于TTF-PYZ2这类自身带有电子给体和受体的双极性分子，利用局域功函数差的测量可以判定分子内电荷转移方向(图9(F-H))68。
图9
图9
表面电荷分布测量
Fig 9
Measurements of the surface charge distribution
(A) schematic of the measurement principle. At each tip position, the Δf is recorded as a function of the sample bias voltage (inset, red circles). The maximum of the fitted parabola (inset, solid black line) yields V* and Δf* for that position. The images were recorded with a copper-terminated tip on a 64 × 64 lateral grid at constant height; (B) local contact potential difference (LCPD) images of naphthalocyanine on NaCl (2 ML)/Cu (111); (C) DFT-calculated asymmetry of the z-component of the electric field above a free naphthalocyanine molecule at a distance d=0.5 nm from the molecular plane66. (D) 3D constant-height NC-AFM image of three Au adatoms on a NaCl (10 ML)/Cu (111) film with charge states neutral, positively. charged, and negatively charged. Height profiles are shown in the inset figure (solid line: Au-, dashed line: Au0, dotted line: Au+). (E) charge-state readout by recording Δf(V) spectra (dots) and determining the LCPD (triangles) from fitted parabolas (dashed lines)67. (F) model of tetrathiafulvalene-pyrazine2 (TTF-PYZ2) with the donor part in red and the acceptor part in blue; (G) constant-height NC-AFM image of TTF-PYZ2 in the"down"conformation with a CO tip. (H) LCPD (V*) maps of TTF-PYZ2 in the"down"conformation with a CO tip68; color online
5 总结与展望
应用qPlus传感器的NC-AFM使得扫描探针技术在空间分辨率上得到了提升，自从2009年Gross等人首次利用NC-AFM技术得到单分子内部原子结构成像后，该技术进一步应用在化学键键级、分子间氢键、卤键、表面纳米结构的研究中，通过3D NC-AFM技术还可以获得非平面分子的内部结构以及同时获得吸附分子和吸附基底的原子结构。NC-AFM技术对于研究表面原位化学反应、表面催化、低维材料等具有极大的优势。根据NCAFM技术发展的谱学测量可以根据针尖与不同原子之间作用力的差异，实现对样品表面的原子操纵、元素识别、电荷分布测量等，对表面异质结和界面研究具有重要意义。
尽管基于qPlus传感器的NC-AFM技术已经获得了相当的发展，但在技术以及应用体系上仍面临以下问题和局限：为了保证图片的信噪比和分辨率，扫描速度相对较慢，由此连带产生热漂移问题，热漂移等问题的存在使仪器需要在液氦温度下工作，成本较高，虽然目前在液氮和室温也得到了分子内部结构的图像，但分辨率与液氦温度下的图像相差甚远；由于STM和NC-AFM电极都集成在qPlus传感器上，工作时电流信号会对力信号产生串扰，与此同时电流的存在会在针尖和样品之间引入静电势，影响力信号的测量；对于力谱测量，针尖形状对针尖-样品间作用力影响极大，如何合理地扣除背景力，保留化学成键力成分，建立一套有效的力谱测量和分析标准也是亟待解决的重要问题。此外，对于qPlus NC-AFM的成像机制，尤其是考虑CO针尖偏转效应的前提下，仍具有一定的争议，需要更多的实验探索和发展相应的理论进行分析。
为解决这些问题，科学家们致力于开发更高频的力传感器，优化传感器电路，发展详尽的NCAFM力谱测量的理论和成像模拟理论，联合NCAFM与其它技术(如STM、光谱等)，在提高空间分辨率的同时进一步提高时间分辨率74-82。NCAFM的快速发展为物理、化学、材料等研究领域带来了众多突破性的进展。到目前为止，NC-AFM能够达到亚原子级分辨率22，是空间分辨率最高的显微技术，这对在分子/原子尺度研究催化反应机理、化学成键机制等具有绝对优势，可以应用在分子筛、金属纳米颗粒、金属氧化物表面等催化体系的基础研究。在未来发展中，NC-AFM与其它表面分析技术的联用将进一步拓宽其研究领域，例如，NC-AFM与STM模式的联用可以研究样品不同的结构和物理化学特性，是全面而深入地研究原子尺度接触问题不可或缺的工具；NC-AFM与光谱技术联用可以研究分子或材料内部原子结构与能带结构关系、光催化或反应过程的基元步骤；基于NC-AFM技术的KPFM也已经成为一种具有高空间分辨和能量分辨的表征手段，可以在表面构造功能纳米结构，并研究分子内电荷分布、电荷传输路径和化学反应活性等问题，为材料、物理、化学和生命科学研究提供了新的思路。
参考文献
