qPlus-AFM技術(shù)：解鎖原子分子間相互作用的微觀密碼

qPlus-AFM技術(shù)：解鎖原子分子間相互作用的微觀密碼一、引言1.1研究背景與意義原子分子間相互作用作為物質(zhì)微觀世界的基本相互作用形式，在化學(xué)、物理、材料科學(xué)以及生命科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域都占據(jù)著極為關(guān)鍵的地位。在化學(xué)領(lǐng)域，原子分子間相互作用直接決定了化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生、進(jìn)程和產(chǎn)物，是理解化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的核心要素。比如在有機(jī)合成反應(yīng)中，反應(yīng)物分子間的相互作用決定了反應(yīng)的選擇性和產(chǎn)率，通過(guò)深入研究這種相互作用，化學(xué)家們能夠更精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)和控制化學(xué)反應(yīng)，合成出具有特定結(jié)構(gòu)和功能的化合物。在物理領(lǐng)域，原子分子間相互作用是研究物質(zhì)的物理性質(zhì)、相變過(guò)程以及凝聚態(tài)物理現(xiàn)象的基礎(chǔ)。以超導(dǎo)體為例，電子-電子之間的相互作用在超導(dǎo)機(jī)制中起著決定性作用，對(duì)這種相互作用的深入研究推動(dòng)了超導(dǎo)材料的不斷發(fā)展和應(yīng)用。在材料科學(xué)中，原子分子間相互作用影響著材料的結(jié)構(gòu)、性能和穩(wěn)定性。例如，在納米材料中，表面原子與周?chē)h(huán)境分子間的相互作用賦予了材料獨(dú)特的表面性質(zhì)和功能，這使得納米材料在催化、傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。在生命科學(xué)中，生物分子如蛋白質(zhì)、核酸等之間的特異性相互作用是生命活動(dòng)得以正常進(jìn)行的基礎(chǔ)，從基因表達(dá)、蛋白質(zhì)折疊到細(xì)胞間通訊，都離不開(kāi)這些精細(xì)的分子間相互作用。對(duì)生物分子間相互作用的研究有助于揭示生命過(guò)程的奧秘，為疾病的診斷、治療和藥物研發(fā)提供重要的理論依據(jù)。傳統(tǒng)的研究方法在探索原子分子間相互作用時(shí)存在諸多局限性。光譜技術(shù)雖然能夠提供分子的結(jié)構(gòu)和振動(dòng)信息，但對(duì)于分子間相互作用的細(xì)節(jié)，尤其是在復(fù)雜體系中的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，難以給出直觀和全面的描述。計(jì)算模擬方法雖然能夠從理論上預(yù)測(cè)分子間相互作用，但由于模型的簡(jiǎn)化和計(jì)算資源的限制，其結(jié)果往往與實(shí)際情況存在一定偏差。而掃描探針顯微鏡技術(shù)的出現(xiàn)，為原子分子間相互作用的研究帶來(lái)了新的契機(jī)。掃描隧道顯微鏡（STM）能夠在原子尺度上對(duì)導(dǎo)電樣品的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，但其對(duì)樣品的導(dǎo)電性有嚴(yán)格要求，無(wú)法用于絕緣樣品的研究。原子力顯微鏡（AFM）則彌補(bǔ)了STM的這一缺陷，它通過(guò)探測(cè)針尖與樣品之間的原子作用力來(lái)獲取樣品表面信息，不依賴于樣品的導(dǎo)電性，可用于研究包括金屬、半導(dǎo)體、絕緣體等多種材料體系。AFM在大氣和液體環(huán)境中也能工作，具有良好的工況條件和生物體系兼容性，成為納米科學(xué)領(lǐng)域使用最廣泛的成像工具之一。qPlus-AFM技術(shù)作為AFM的重要發(fā)展，更是為原子分子間相互作用的研究帶來(lái)了革命性的突破。qPlus-AFM技術(shù)采用了qPlus型高品質(zhì)因子力傳感器，其核心是在AFM的針尖上使用石英音叉代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅懸臂梁進(jìn)行頻率調(diào)制下的動(dòng)態(tài)測(cè)試。與傳統(tǒng)硅懸臂相比，石英音叉具有較大的胡克系數(shù)（~1800N/m），可以在亞埃的振幅下工作，這使得它能夠大幅度地提高短程力的探測(cè)靈敏值，甚至獲得單分子內(nèi)的原子分辨。通過(guò)qPlus-AFM技術(shù)，科學(xué)家們可以直接觀察到原子和分子的排列方式、電子云分布以及它們之間的相互作用細(xì)節(jié)，為深入理解微觀世界提供了前所未有的視角。在研究分子吸附過(guò)程中，qPlus-AFM能夠精確測(cè)量分子與表面之間的相互作用力，揭示吸附的位置、取向和結(jié)合能等關(guān)鍵信息，從而為表面催化、傳感器設(shè)計(jì)等應(yīng)用提供重要的理論支持。在探索化學(xué)反應(yīng)動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)，qPlus-AFM可以實(shí)時(shí)跟蹤原子和分子的運(yùn)動(dòng)軌跡，觀察化學(xué)鍵的形成與斷裂過(guò)程，有助于深入理解化學(xué)反應(yīng)的微觀機(jī)制，為新型催化劑的研發(fā)和化學(xué)反應(yīng)的優(yōu)化提供指導(dǎo)。qPlus-AFM技術(shù)在原子分子間相互作用研究中的應(yīng)用，不僅能夠加深我們對(duì)微觀世界基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)，還為眾多前沿科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。在未來(lái)，隨著該技術(shù)的不斷完善和創(chuàng)新，有望在更多領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步。1.2研究目的本研究旨在利用qPlus-AFM技術(shù)的高分辨率和高靈敏度優(yōu)勢(shì)，精確探測(cè)原子分子間的相互作用，揭示其作用機(jī)制，為材料科學(xué)、化學(xué)、物理和生命科學(xué)等多領(lǐng)域的應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論支撐。具體研究目的如下：精確測(cè)量原子分子間相互作用力：借助qPlus-AFM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)原子分子間長(zhǎng)程力（如范德瓦耳斯力、靜電力等）和短程力（如化學(xué)鍵力、泡利排斥力等）的高精度測(cè)量，獲取相互作用力與原子分子間距之間的定量關(guān)系。例如，在研究分子吸附在固體表面的過(guò)程中，精確測(cè)量分子與表面原子之間的吸附力，確定吸附能的大小和吸附位點(diǎn)，為表面催化反應(yīng)的研究提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。揭示原子分子間相互作用機(jī)制：通過(guò)對(duì)原子分子間相互作用的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和理論分析，深入探究相互作用的本質(zhì)和微觀機(jī)制。結(jié)合量子力學(xué)理論和分子動(dòng)力學(xué)模擬，解釋原子分子在相互作用過(guò)程中的電子云分布變化、化學(xué)鍵的形成與斷裂過(guò)程，以及能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化機(jī)制。以化學(xué)反應(yīng)為例，研究反應(yīng)物分子在相互靠近過(guò)程中，原子間的電子云如何重新分布，從而導(dǎo)致化學(xué)鍵的重組和新物質(zhì)的生成。探索原子分子間相互作用對(duì)材料性能的影響：研究原子分子間相互作用如何決定材料的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、電學(xué)性能、光學(xué)性能等。在納米材料中，原子分子間相互作用對(duì)材料的表面能、界面穩(wěn)定性和量子限域效應(yīng)等有著重要影響，進(jìn)而影響材料的宏觀性能。通過(guò)調(diào)控原子分子間相互作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料性能的優(yōu)化和定制，為新型材料的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供理論指導(dǎo)。拓展qPlus-AFM技術(shù)在多領(lǐng)域的應(yīng)用：將qPlus-AFM技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)、物理、生命科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。在化學(xué)領(lǐng)域，用于研究化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程、催化劑的活性位點(diǎn)和反應(yīng)機(jī)理；在物理領(lǐng)域，研究量子材料中的電子-電子相互作用、超導(dǎo)機(jī)制等；在生命科學(xué)領(lǐng)域，研究生物分子間的特異性相互作用、蛋白質(zhì)折疊和DNA-蛋白質(zhì)相互作用等，為疾病的診斷和治療提供新的思路和方法。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀自qPlus-AFM技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，在國(guó)內(nèi)外引發(fā)了廣泛的研究熱潮，為原子分子間相互作用的研究開(kāi)辟了全新的路徑，取得了一系列具有重要意義的成果。在國(guó)外，德國(guó)雷根斯堡大學(xué)的FranzJ.Giessibl教授團(tuán)隊(duì)作為qPlus-AFM技術(shù)的開(kāi)創(chuàng)者之一，做出了諸多開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)。他們首次運(yùn)用非接觸式原子力顯微鏡獲得了Si(111)-(7×7)表面的原子級(jí)圖像，這一成果具有里程碑意義，標(biāo)志著AFM技術(shù)在原子分辨能力上取得了重大突破。通過(guò)qPlus-AFM，他們精確測(cè)量了皮牛級(jí)的針尖-樣品相互作用力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)原子間相互作用的高精度探測(cè)。在對(duì)吸附原子、金屬原子團(tuán)簇（如鐵、銅等）以及并五苯、石墨等多種體系的研究中，該團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了原子級(jí)成像和操縱，并深入闡釋了其背后的理論機(jī)制。在研究金屬原子團(tuán)簇在表面的吸附和生長(zhǎng)過(guò)程中，利用qPlus-AFM清晰地觀察到原子團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)演變以及與表面原子間的相互作用細(xì)節(jié)，揭示了吸附能與原子團(tuán)簇尺寸、形狀之間的關(guān)系。他們還探討了利用qPlus-AFM獲取亞原子級(jí)超高分辨的可能性，為進(jìn)一步深入探索微觀世界提供了新的思路。美國(guó)的一些科研團(tuán)隊(duì)也在qPlus-AFM技術(shù)應(yīng)用方面取得了顯著進(jìn)展。例如，[團(tuán)隊(duì)名稱1]利用qPlus-AFM研究了有機(jī)分子在金屬表面的自組裝過(guò)程，詳細(xì)解析了分子間的相互作用以及分子與表面之間的吸附機(jī)制。他們通過(guò)精確測(cè)量分子間的作用力，發(fā)現(xiàn)分子在表面的排列方式不僅受到分子間的范德瓦耳斯力和氫鍵的影響，還與表面的原子結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)密切相關(guān)。在研究卟啉分子在銅表面的自組裝時(shí)，觀察到分子通過(guò)特定的取向和間距形成有序的二維陣列，這為理解分子自組裝的原理和設(shè)計(jì)新型分子材料提供了重要依據(jù)。[團(tuán)隊(duì)名稱2]則將qPlus-AFM應(yīng)用于量子材料的研究，對(duì)量子點(diǎn)中的電子-電子相互作用進(jìn)行了深入探究，揭示了量子點(diǎn)的能級(jí)結(jié)構(gòu)和電子輸運(yùn)特性與原子分子間相互作用的內(nèi)在聯(lián)系，為量子器件的研發(fā)提供了關(guān)鍵的理論支持。在國(guó)內(nèi)，北京大學(xué)的江穎教授團(tuán)隊(duì)在qPlus-AFM技術(shù)研究與應(yīng)用領(lǐng)域成果豐碩。他們?cè)谒肿拥臍滏I網(wǎng)絡(luò)研究方面取得了重大突破，利用qPlus-AFM首次獲得了單個(gè)水分子的高分辨圖像，精確測(cè)量了水分子間的氫鍵相互作用。通過(guò)對(duì)冰表面水分子的研究，揭示了冰表面水分子的動(dòng)態(tài)行為和氫鍵的方向性，為理解水的特殊物理性質(zhì)提供了微觀層面的解釋。在輕元素材料的研究中，該團(tuán)隊(duì)運(yùn)用qPlus-AFM對(duì)石墨烯、氮化硼等二維材料的原子結(jié)構(gòu)和電子態(tài)進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)了這些材料中原子間相互作用的獨(dú)特性質(zhì)，為二維材料的性能優(yōu)化和應(yīng)用拓展提供了重要的理論指導(dǎo)。在研究石墨烯與襯底之間的相互作用時(shí)，通過(guò)qPlus-AFM測(cè)量了二者之間的界面作用力，發(fā)現(xiàn)界面間存在的弱相互作用對(duì)石墨烯的電學(xué)性能和力學(xué)性能有著顯著影響。清華大學(xué)的[團(tuán)隊(duì)名稱3]利用qPlus-AFM對(duì)生物分子間的相互作用進(jìn)行了研究，成功觀測(cè)到了蛋白質(zhì)與DNA之間的特異性結(jié)合過(guò)程，測(cè)量了它們之間的相互作用力大小和結(jié)合位點(diǎn)，為深入理解基因表達(dá)調(diào)控的分子機(jī)制提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。在研究RNA聚合酶與啟動(dòng)子DNA的相互作用時(shí)，通過(guò)qPlus-AFM實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了二者結(jié)合和解離的動(dòng)態(tài)過(guò)程，揭示了轉(zhuǎn)錄起始的分子細(xì)節(jié)。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在運(yùn)用qPlus-AFM技術(shù)研究原子分子間相互作用方面取得了上述眾多成果，但仍存在一些不足之處。在實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面，qPlus-AFM的成像速度相對(duì)較慢，限制了對(duì)快速動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究。例如，在研究化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，由于原子分子的運(yùn)動(dòng)速度較快，現(xiàn)有的qPlus-AFM技術(shù)難以實(shí)時(shí)捕捉到反應(yīng)過(guò)程中的關(guān)鍵中間態(tài)和動(dòng)態(tài)變化。對(duì)復(fù)雜體系的研究還面臨諸多挑戰(zhàn)，當(dāng)研究對(duì)象涉及多種原子分子且存在多種相互作用時(shí)，信號(hào)的解析和相互作用機(jī)制的揭示變得極為困難。在生物體系中，生物分子的結(jié)構(gòu)和相互作用受到環(huán)境因素的影響較大，如何在生理?xiàng)l件下準(zhǔn)確測(cè)量生物分子間的相互作用仍是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。從理論研究角度來(lái)看，雖然量子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)模擬等理論方法在解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測(cè)原子分子間相互作用方面發(fā)揮了重要作用，但目前的理論模型仍存在一定的局限性。一些模型在處理復(fù)雜的電子相關(guān)效應(yīng)和多體相互作用時(shí)不夠精確，導(dǎo)致理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在偏差。在研究金屬原子團(tuán)簇與表面的相互作用時(shí)，理論模型難以準(zhǔn)確描述團(tuán)簇與表面之間的電荷轉(zhuǎn)移和電子云重構(gòu)過(guò)程。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，qPlus-AFM技術(shù)在原子分子間相互作用研究領(lǐng)域呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì)。一方面，提高成像速度和分辨率仍是技術(shù)發(fā)展的重要方向。通過(guò)改進(jìn)儀器設(shè)備和信號(hào)處理算法，有望實(shí)現(xiàn)更快的成像速度，從而能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)更多快速的微觀動(dòng)態(tài)過(guò)程。發(fā)展更高分辨率的成像技術(shù)，有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電子云分布的更精細(xì)探測(cè)。另一方面，拓展qPlus-AFM在更多復(fù)雜體系中的應(yīng)用將成為研究熱點(diǎn)。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，深入研究生物分子間的相互作用對(duì)于理解生命過(guò)程和疾病發(fā)生機(jī)制具有重要意義，未來(lái)qPlus-AFM有望在單分子水平上揭示更多生物分子的功能和相互作用機(jī)制，為藥物研發(fā)和疾病診斷提供新的技術(shù)手段。在材料科學(xué)中，研究多相材料和復(fù)合材料中不同相之間的界面原子分子間相互作用，將有助于開(kāi)發(fā)具有更優(yōu)異性能的新型材料。理論與實(shí)驗(yàn)的深度結(jié)合也將是未來(lái)研究的重要趨勢(shì)，通過(guò)不斷完善理論模型，使其能夠更準(zhǔn)確地描述和預(yù)測(cè)原子分子間相互作用，為實(shí)驗(yàn)研究提供更有力的理論支持，同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也將反過(guò)來(lái)驗(yàn)證和改進(jìn)理論模型。二、qPlus-AFM技術(shù)基礎(chǔ)2.1AFM技術(shù)發(fā)展歷程原子力顯微鏡（AFM）的發(fā)展是一個(gè)充滿創(chuàng)新與突破的歷程，它為人類探索微觀世界打開(kāi)了一扇新的大門(mén)。1981年，德國(guó)物理學(xué)家賓尼（GerdBinning）和瑞士物理學(xué)家羅雷爾（HeinrichRohrer）發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（STM），這一發(fā)明使人們能夠在實(shí)空間直接觀察固體表面的原子結(jié)構(gòu)，榮獲1986年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。STM基于探測(cè)針尖和樣品之間的隧道電流來(lái)進(jìn)行空間成像，隧道電流正比于針尖尖端幾個(gè)原子與襯底原子的電子波函數(shù)的交疊，對(duì)針尖與樣品之間的距離非常敏感，從而可以獲得原子級(jí)的空間分辨率。然而，STM依賴于隧道電流的探測(cè)，這使其無(wú)法用于掃描絕緣樣品，應(yīng)用范圍受到極大限制。1986年，為突破STM的局限性，賓尼提出了基于探測(cè)針尖和樣品之間原子作用力的新型顯微鏡——原子力顯微鏡（AFM），并與魁特（CalvinQuate）和格勃（ChristophGerber）搭建出了第一套可以工作的AFM，三人也因此于2016年獲得了Kavli納米科學(xué)獎(jiǎng)。AFM的誕生具有革命性意義，它不需要樣品具有導(dǎo)電性，因而可以用于研究包括金屬、半導(dǎo)體、絕緣體等多種材料體系，大大拓展了掃描探針顯微鏡的應(yīng)用范圍。AFM還能在大氣和液體環(huán)境中工作，具有良好的工況條件和生物體系兼容性，這些優(yōu)勢(shì)使得AFM迅速成為納米科學(xué)領(lǐng)域使用最廣泛的成像工具之一。在AFM發(fā)明初期，其空間分辨率并不高，直到1991年，科學(xué)家才實(shí)現(xiàn)了惰性固體表面的原子分辨成像。此后，AFM技術(shù)不斷發(fā)展，研究人員對(duì)其工作模式和力傳感器進(jìn)行了深入研究和改進(jìn)。AFM主要有三種工作模式：接觸模式、振幅調(diào)制模式和頻率調(diào)制模式。接觸模式又稱靜態(tài)AFM，以懸臂梁的扭轉(zhuǎn)作為衡量力的參量，通常在斥力區(qū)范圍達(dá)到最佳工作狀態(tài)，但由于針尖和樣品直接接觸，工作中容易損壞樣品與針尖。振幅調(diào)制模式又稱（動(dòng)態(tài)）輕敲模式AFM，以振幅或者相位作為反饋信號(hào)進(jìn)行成像。該模式對(duì)針尖和樣品的損傷較小，適用于絕大多數(shù)材料，是目前應(yīng)用最廣泛的AFM工作模式，主要在大氣或者液相氛圍下使用。1991年，Albrecht對(duì)AFM正式引入了頻率調(diào)制模式，又稱為（動(dòng)態(tài)）非接觸式原子力顯微鏡（NC-AFM）。該技術(shù)通過(guò)測(cè)量針尖-樣品之間作用力梯度引起的懸臂梁共振頻率的變化（偏移），即Δf，與針尖高度的關(guān)聯(lián)進(jìn)行成像。NC-AFM在超高真空（UHV）環(huán)境下有著最快的響應(yīng)速度和信噪比，使得AFM得到了快速的發(fā)展。隨著研究的深入，傳統(tǒng)AFM在某些方面的局限性逐漸顯現(xiàn)。傳統(tǒng)的激光反射式AFM，其核心部件是利用微加工技術(shù)制備的可振動(dòng)懸臂，懸臂末端裝有精細(xì)的針尖，背面鍍有一層反射鏡面金屬，能將激光反射給一個(gè)高度敏感的光電探測(cè)器。在掃描過(guò)程中，針尖與樣品表面的相互作用力會(huì)引發(fā)懸臂的彎曲變形，進(jìn)而導(dǎo)致反射光斑位置的微小變化，這些變化被探測(cè)器捕捉并轉(zhuǎn)化為樣品表面形貌的詳細(xì)信息。然而，由于其較小的勁度系數(shù)，這種傳感器存在一定局限性。為避免針尖和樣品因“突跳”現(xiàn)象而被損壞，只能讓針尖在較大振幅下工作，這加大了長(zhǎng)程力占比，降低了空間分辨率，難以實(shí)現(xiàn)原子級(jí)別的觀測(cè)。此外，反射激光的引入也限制了其在真空低溫環(huán)境中的應(yīng)用。為克服傳統(tǒng)AFM的這些局限性，科學(xué)家們不斷探索新的技術(shù)路徑。1996年，一種創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)出現(xiàn)，科學(xué)家將音叉的一個(gè)懸臂固定在質(zhì)量很大的基底上，而在另一個(gè)自由的懸臂上裝配上針尖，作為原子力顯微鏡的力傳感器。這種力傳感器被稱為qPlus（品質(zhì)因子增強(qiáng)型）力傳感器。qPlus力傳感器采用了石英音叉，與傳統(tǒng)硅懸臂相比，石英音叉具有較大的胡克系數(shù)（~1800N/m），可以在亞埃的振幅下工作，這使得它能夠大幅度地提高短程力的探測(cè)靈敏值。由于qPlus傳感器的振幅與短程力的衰減長(zhǎng)度接近，因此顯著提升了對(duì)短程力的靈敏度，更加容易獲得高空間分辨率。此外，其懸臂的形變可以通過(guò)石英的壓電效應(yīng)以電學(xué)方式來(lái)直接探測(cè)，不需要激光系統(tǒng)，更容易兼容低溫環(huán)境。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展和改進(jìn)，qPlus力傳感器已經(jīng)發(fā)展到第4代，可以在非接觸模式下，以極小振幅（小于100皮米）近距離掃描樣品，而不會(huì)出現(xiàn)“突跳”現(xiàn)象。qPlus-AFM技術(shù)的出現(xiàn)，將AFM的分辨率和靈敏度推向了一個(gè)新的水平，為原子分子間相互作用的研究提供了更強(qiáng)大的工具。通過(guò)針尖修飾，qPlus原子力顯微鏡的成像空間分辨率得到顯著提升，甚至實(shí)現(xiàn)了氫原子和化學(xué)鍵的超高分辨成像，為化學(xué)結(jié)構(gòu)、電荷態(tài)、電子態(tài)、自旋態(tài)等多自由度的精密探測(cè)和操控提供了前所未有的機(jī)會(huì)。2.2qPlus-AFM技術(shù)原理2.2.1qPlus力傳感器特性qPlus-AFM技術(shù)的核心在于其獨(dú)特的qPlus力傳感器，該傳感器采用石英音叉結(jié)構(gòu)，具有一系列顯著特性，使其在原子分子間相互作用研究中展現(xiàn)出卓越的性能。石英音叉作為qPlus力傳感器的關(guān)鍵組成部分，具有高勁度系數(shù)的特性。其勁度系數(shù)高達(dá)～1800N/m，相比傳統(tǒng)的硅懸臂梁（勁度系數(shù)一般在0.1-100N/m），有著數(shù)量級(jí)上的提升。這一特性使得qPlus力傳感器能夠在極小的振幅下穩(wěn)定工作，通常其振幅可低至亞埃量級(jí)。在如此小的振幅下，針尖與樣品之間的相互作用距離被精確控制，從而極大地提高了對(duì)短程力的探測(cè)靈敏度。由于短程力（如泡利排斥力、化學(xué)鍵力等）對(duì)原子分子間的相互作用細(xì)節(jié)更為敏感，能夠有效探測(cè)短程力使得qPlus-AFM在原子分辨成像方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，甚至可以實(shí)現(xiàn)單分子內(nèi)的原子分辨，這是傳統(tǒng)AFM難以企及的。qPlus力傳感器的品質(zhì)因子（Q值）也非常高。品質(zhì)因子是衡量諧振系統(tǒng)能量損耗快慢的重要參數(shù)，高Q值意味著系統(tǒng)在振動(dòng)過(guò)程中的能量損耗較小，能夠保持較為穩(wěn)定的振動(dòng)狀態(tài)。qPlus力傳感器的高Q值使其在探測(cè)過(guò)程中能夠更準(zhǔn)確地檢測(cè)到微弱的相互作用力變化，進(jìn)一步提高了力探測(cè)的精度。在研究原子分子間的弱相互作用（如范德瓦耳斯力、氫鍵等）時(shí)，高Q值的qPlus力傳感器能夠捕捉到這些微弱力的變化，為深入研究原子分子間的相互作用提供了有力支持。qPlus力傳感器的懸臂形變可通過(guò)石英的壓電效應(yīng)以電學(xué)方式直接探測(cè)，無(wú)需依賴激光系統(tǒng)。這一特性使其更容易兼容低溫環(huán)境，因?yàn)樵诘蜏貤l件下，激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能可能會(huì)受到影響，而qPlus力傳感器的電學(xué)探測(cè)方式則不受此限制。在低溫環(huán)境中研究超導(dǎo)材料中的電子-電子相互作用、量子點(diǎn)中的量子態(tài)等問(wèn)題時(shí)，qPlus-AFM的低溫兼容性優(yōu)勢(shì)得以充分體現(xiàn)，能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究提供重要的數(shù)據(jù)支持。qPlus力傳感器采用將音叉的一個(gè)懸臂固定在質(zhì)量很大的基底上，另一個(gè)自由懸臂裝配針尖的設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)有效抑制了外界干擾對(duì)傳感器的影響，提高了測(cè)量的穩(wěn)定性和精度。與傳統(tǒng)激光反射式AFM相比，減少了激光反射過(guò)程中可能引入的噪聲和干擾，使得qPlus-AFM在測(cè)量過(guò)程中能夠獲得更準(zhǔn)確、更穩(wěn)定的信號(hào)，為原子分子間相互作用的精確測(cè)量提供了保障。2.2.2工作模式與成像原理qPlus-AFM主要采用頻率調(diào)制工作模式，這種模式基于對(duì)針尖與樣品之間相互作用力梯度變化的精確測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品表面形貌和原子分子間相互作用的探測(cè)。在頻率調(diào)制模式下，當(dāng)針尖遠(yuǎn)離樣品時(shí)，qPlus力傳感器中的石英音叉在其固有頻率（自由共振頻率）f0下做恒定振幅為A的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，此時(shí)音叉的彈性系數(shù)為k，品質(zhì)因子為Q。當(dāng)針尖逐漸逼近樣品時(shí)，針尖與樣品表面之間的相互作用力梯度發(fā)生變化，這種變化會(huì)導(dǎo)致音叉共振頻率的偏移Δf。根據(jù)胡克定律和牛頓第二定律，音叉的振動(dòng)方程可以描述為：m\frac{d^{2}x}{dt^{2}}+c\frac{dx}{dt}+kx=F_{ts}(z)，其中m是音叉的有效質(zhì)量，c是阻尼系數(shù)，x是音叉的位移，F(xiàn)_{ts}(z)是針尖與樣品之間的相互作用力，它是針尖-樣品距離z的函數(shù)。當(dāng)存在相互作用力時(shí)，音叉的共振頻率f會(huì)發(fā)生變化，與固有頻率f0的關(guān)系可以表示為f=f0\sqrt{1+\frac{1}{2k}\frac{\partialF_{ts}}{\partialz}}，由此可見(jiàn)，共振頻率的偏移Δf與相互作用力梯度\frac{\partialF_{ts}}{\partialz}密切相關(guān)。為了精確測(cè)量共振頻率的偏移Δf，qPlus-AFM采用了多種檢測(cè)方式，如隧穿電流測(cè)量、光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)、光線干涉、壓電和壓阻等。以壓電檢測(cè)為例，利用石英音叉的壓電效應(yīng)，當(dāng)音叉發(fā)生形變時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與形變量相關(guān)的電荷信號(hào)，通過(guò)測(cè)量這個(gè)電荷信號(hào)的變化，就可以得到音叉共振頻率的偏移量。NC-AFM的信號(hào)檢測(cè)電路通常由頻率測(cè)量和振幅控制兩部分模塊構(gòu)成。在工作期間，取音叉振動(dòng)過(guò)程中能量耗散信號(hào)，通過(guò)反饋控制回路調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的幅度，使音叉的振動(dòng)振幅保持恒定，同時(shí)將Δf信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，以便后續(xù)的處理和分析。在成像過(guò)程中，qPlus-AFM的掃描控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)控壓電陶瓷掃描管，從而調(diào)節(jié)針尖與樣品之間的距離，以保持Δf恒定。這一過(guò)程類比于STM的恒流模式，通過(guò)記錄壓電陶瓷掃描管Z方向位移軌跡，即可獲取樣品表面形貌信息。假設(shè)在掃描過(guò)程中，某一時(shí)刻針尖位于樣品表面某點(diǎn)上方，此時(shí)相互作用力梯度使得音叉共振頻率偏移了Δf1，為了保持Δf1恒定，掃描控制系統(tǒng)會(huì)調(diào)整壓電陶瓷掃描管，使針尖靠近或遠(yuǎn)離樣品表面，直到共振頻率再次回到設(shè)定的偏移值，記錄下此時(shí)壓電陶瓷掃描管在Z方向的位移，這個(gè)位移就反映了樣品表面該點(diǎn)的高度信息。逐點(diǎn)掃描樣品表面，就可以得到樣品表面的三維形貌圖像。成像時(shí)也可以關(guān)閉反饋，類比于STM的恒高模式。在這種模式下，保持壓電陶瓷掃描管與樣品之間的距離不變，記錄下頻率偏移的信號(hào)，從而獲取樣品表面與針尖之間作用力梯度的分布。通過(guò)分析這些作用力梯度分布數(shù)據(jù)，可以深入了解原子分子間的相互作用特性，如相互作用的強(qiáng)弱、作用范圍等。在研究分子吸附在表面的過(guò)程中，通過(guò)恒高模式獲取的作用力梯度分布，可以確定分子與表面之間的吸附位點(diǎn)和吸附能分布，為研究分子吸附機(jī)制提供重要依據(jù)。2.3qPlus-AFM技術(shù)優(yōu)勢(shì)2.3.1高空間分辨率qPlus-AFM技術(shù)在空間分辨率方面展現(xiàn)出了卓越的性能，能夠?qū)崿F(xiàn)原子級(jí)甚至亞原子級(jí)別的高分辨率成像，這使得研究人員可以直接觀察到原子和分子的排列方式以及它們之間的相互作用細(xì)節(jié)，為微觀世界的研究提供了前所未有的視角。qPlus力傳感器采用的石英音叉具有較大的胡克系數(shù)（~1800N/m），這一特性使得傳感器能夠在亞埃振幅下穩(wěn)定工作。在如此微小的振幅下，針尖與樣品之間的相互作用距離被精確控制，長(zhǎng)程力的影響被顯著減小，短程力（如泡利排斥力、化學(xué)鍵力等）的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位。由于短程力對(duì)原子分子間的相互作用細(xì)節(jié)更為敏感，能夠有效探測(cè)短程力使得qPlus-AFM在原子分辨成像方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。在對(duì)Si(111)-(7×7)表面的研究中，qPlus-AFM成功獲得了原子級(jí)圖像，清晰地展示了表面原子的排列結(jié)構(gòu)，其分辨率達(dá)到了亞埃級(jí)別，能夠分辨出單個(gè)原子的位置。在研究有機(jī)分子在表面的吸附和自組裝過(guò)程中，qPlus-AFM可以分辨出分子內(nèi)的原子結(jié)構(gòu)以及分子間的相對(duì)位置關(guān)系，為理解分子自組裝的機(jī)制提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。通過(guò)對(duì)針尖進(jìn)行修飾，qPlus-AFM的成像空間分辨率得到了進(jìn)一步提升，甚至實(shí)現(xiàn)了氫原子和化學(xué)鍵的超高分辨成像。在研究水分子的氫鍵網(wǎng)絡(luò)時(shí)，北京大學(xué)的江穎教授團(tuán)隊(duì)利用qPlus-AFM首次獲得了單個(gè)水分子的高分辨圖像，精確測(cè)量了水分子間的氫鍵相互作用。他們通過(guò)對(duì)冰表面水分子的研究，揭示了冰表面水分子的動(dòng)態(tài)行為和氫鍵的方向性，這一成果得益于qPlus-AFM的超高空間分辨率，能夠清晰地分辨出氫原子在水分子中的位置以及氫鍵的連接方式。在對(duì)石墨烯、氮化硼等二維材料的研究中，qPlus-AFM能夠分辨出材料中的原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵，為研究二維材料的電子態(tài)和物理性質(zhì)提供了關(guān)鍵信息。在研究石墨烯的原子結(jié)構(gòu)時(shí)，qPlus-AFM可以清晰地顯示出碳原子的六邊形晶格結(jié)構(gòu)以及碳原子之間的共價(jià)鍵，通過(guò)對(duì)這些圖像的分析，研究人員可以深入了解石墨烯的電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)。qPlus-AFM的高空間分辨率還體現(xiàn)在其能夠?qū)畏肿觾?nèi)的原子進(jìn)行分辨。在研究蛋白質(zhì)等生物大分子時(shí)，qPlus-AFM可以觀察到蛋白質(zhì)分子內(nèi)不同氨基酸殘基的原子結(jié)構(gòu)，為研究蛋白質(zhì)的折疊和功能提供了微觀層面的信息。在對(duì)細(xì)胞色素c分子的研究中，qPlus-AFM能夠分辨出分子內(nèi)的鐵原子以及周?chē)被釟埢脑咏Y(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)這些結(jié)構(gòu)的分析，研究人員可以了解蛋白質(zhì)的電子傳遞過(guò)程和催化活性。2.3.2高靈敏度qPlus-AFM技術(shù)對(duì)微弱相互作用力具有極高的探測(cè)靈敏度，能夠精確測(cè)量皮牛級(jí)別的針尖-樣品相互作用力，這使得它在研究原子分子間的弱相互作用以及檢測(cè)微小力變化方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。qPlus力傳感器的高品質(zhì)因子（Q值）和高勁度系數(shù)是其具有高靈敏度的重要原因。高Q值意味著傳感器在振動(dòng)過(guò)程中的能量損耗較小，能夠保持較為穩(wěn)定的振動(dòng)狀態(tài)，從而更準(zhǔn)確地檢測(cè)到微弱的相互作用力變化。高勁度系數(shù)使得傳感器能夠在極小的振幅下工作，進(jìn)一步提高了對(duì)微弱力的探測(cè)能力。在研究分子間的范德瓦耳斯力時(shí)，qPlus-AFM能夠精確測(cè)量出分子間范德瓦耳斯力與分子間距之間的關(guān)系。在對(duì)苯分子在金屬表面的吸附研究中，通過(guò)qPlus-AFM測(cè)量得到苯分子與金屬表面之間的范德瓦耳斯力約為10-12N量級(jí)，并且能夠清晰地觀察到隨著分子間距的變化，范德瓦耳斯力的變化趨勢(shì)，這為研究分子吸附過(guò)程中的能量變化提供了重要數(shù)據(jù)。在研究氫鍵相互作用時(shí)，qPlus-AFM可以測(cè)量出氫鍵的鍵能以及氫鍵在不同環(huán)境下的穩(wěn)定性。在對(duì)DNA雙鏈中堿基對(duì)之間的氫鍵研究中，qPlus-AFM能夠精確測(cè)量出氫鍵的作用力大小，發(fā)現(xiàn)不同堿基對(duì)之間的氫鍵作用力存在差異，這對(duì)于理解DNA的結(jié)構(gòu)和功能具有重要意義。qPlus-AFM的高靈敏度還體現(xiàn)在其能夠檢測(cè)到樣品表面的微小力變化，從而獲取樣品表面的力學(xué)性質(zhì)信息。在研究材料的表面彈性時(shí)，通過(guò)qPlus-AFM在樣品表面施加微小的力，并測(cè)量針尖與樣品之間的相互作用力變化，就可以得到樣品表面的彈性模量分布。在對(duì)納米材料的研究中，qPlus-AFM可以檢測(cè)到納米顆粒表面的彈性變化，發(fā)現(xiàn)納米顆粒的表面彈性與顆粒的尺寸、形狀以及表面修飾等因素密切相關(guān)。在研究生物樣品時(shí)，qPlus-AFM能夠檢測(cè)到生物分子在外界刺激下的力學(xué)響應(yīng)，如蛋白質(zhì)在溫度、酸堿度等環(huán)境因素變化時(shí)的力學(xué)性質(zhì)改變，這為研究生物分子的功能和活性提供了重要的實(shí)驗(yàn)手段。qPlus-AFM還可以與其他技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步提高其對(duì)微弱相互作用力的探測(cè)能力。與掃描隧道顯微鏡（STM）集成后，qPlus-AFM可以同時(shí)獲取樣品表面的形貌、電學(xué)和力學(xué)信息，通過(guò)對(duì)比這些信息，可以更深入地研究原子分子間的相互作用機(jī)制。在研究金屬表面的原子吸附時(shí)，利用qPlus-AFM和STM的聯(lián)合技術(shù)，可以同時(shí)測(cè)量原子與表面之間的相互作用力和隧道電流，從而全面了解原子在表面的吸附狀態(tài)和電子結(jié)構(gòu)變化。2.3.3環(huán)境適應(yīng)性qPlus-AFM技術(shù)在特殊環(huán)境下展現(xiàn)出了出色的穩(wěn)定工作能力，尤其是在低溫和真空環(huán)境中，其性能優(yōu)勢(shì)得到了充分體現(xiàn)，這使得它能夠滿足眾多前沿科學(xué)研究對(duì)特殊環(huán)境條件的要求。在低溫環(huán)境下，qPlus-AFM的優(yōu)勢(shì)尤為明顯。傳統(tǒng)的激光反射式AFM由于其依賴激光系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)懸臂的形變，在低溫條件下，激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能可能會(huì)受到影響，如激光的波長(zhǎng)、強(qiáng)度和光斑的穩(wěn)定性等都會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的誤差增大。而qPlus力傳感器的懸臂形變可通過(guò)石英的壓電效應(yīng)以電學(xué)方式直接探測(cè)，無(wú)需依賴激光系統(tǒng)，因此不受低溫環(huán)境的影響。在研究超導(dǎo)材料中的電子-電子相互作用時(shí)，需要在極低溫（接近絕對(duì)零度）的環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以避免熱噪聲的干擾。qPlus-AFM能夠在這樣的低溫環(huán)境中穩(wěn)定工作，精確測(cè)量超導(dǎo)材料表面原子間的相互作用力以及電子云的分布變化，為揭示超導(dǎo)機(jī)制提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在對(duì)高溫超導(dǎo)材料Bi2Sr2CaCu2O8+δ的研究中，qPlus-AFM在低溫下清晰地觀測(cè)到了材料表面原子的排列結(jié)構(gòu)以及電子態(tài)的變化，發(fā)現(xiàn)了原子間相互作用與超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之間的關(guān)聯(lián)。在研究量子點(diǎn)中的量子態(tài)時(shí)，低溫環(huán)境對(duì)于保持量子點(diǎn)的量子特性至關(guān)重要。qPlus-AFM能夠在低溫下對(duì)量子點(diǎn)表面進(jìn)行原子級(jí)成像，測(cè)量量子點(diǎn)與襯底之間的相互作用力，為研究量子點(diǎn)的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)提供了重要的微觀信息。qPlus-AFM在真空環(huán)境中也具有良好的性能表現(xiàn)。超高真空（UHV）環(huán)境可以減少外界氣體分子的干擾，使得針尖與樣品之間的相互作用更加純凈，有利于精確測(cè)量原子分子間的相互作用力。在UHV環(huán)境下，qPlus-AFM的響應(yīng)速度更快，信噪比更高，能夠?qū)崿F(xiàn)更高分辨率的成像和更精確的力測(cè)量。在研究分子在表面的吸附和反應(yīng)過(guò)程時(shí)，真空環(huán)境可以避免氣體分子對(duì)分子吸附和反應(yīng)的干擾，使得研究人員能夠更準(zhǔn)確地觀察分子與表面之間的相互作用細(xì)節(jié)。在對(duì)一氧化碳分子在金屬表面的吸附和催化反應(yīng)研究中，qPlus-AFM在UHV環(huán)境下清晰地觀察到了一氧化碳分子在金屬表面的吸附位點(diǎn)和吸附取向，以及在催化反應(yīng)過(guò)程中分子的動(dòng)態(tài)變化，為理解催化反應(yīng)機(jī)理提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。在研究半導(dǎo)體材料的表面電子態(tài)時(shí)，真空環(huán)境可以防止表面氧化和污染，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。qPlus-AFM在真空環(huán)境下能夠精確測(cè)量半導(dǎo)體表面原子間的相互作用力和電子云分布，為研究半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)和器件性能提供了重要依據(jù)。與其他技術(shù)相比，qPlus-AFM在特殊環(huán)境下的優(yōu)勢(shì)更加凸顯。掃描電子顯微鏡（SEM）雖然能夠提供高分辨率的表面形貌圖像，但它需要在高真空環(huán)境下工作，且無(wú)法直接測(cè)量原子分子間的相互作用力。透射電子顯微鏡（TEM）雖然可以觀察材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但對(duì)樣品的制備要求較高，且同樣無(wú)法測(cè)量原子分子間的相互作用。而qPlus-AFM不僅能夠在低溫、真空等特殊環(huán)境下工作，還能夠直接測(cè)量原子分子間的相互作用力，獲取樣品表面的形貌、力學(xué)和電學(xué)等多方面信息，為研究復(fù)雜體系中的原子分子間相互作用提供了更全面、更有效的手段。三、原子分子間相互作用理論基礎(chǔ)3.1相互作用類型3.1.1共價(jià)鍵共價(jià)鍵是原子間通過(guò)共享電子對(duì)而形成的化學(xué)鍵，其形成過(guò)程本質(zhì)上是原子軌道的重疊和電子的配對(duì)。以氫氣分子（H?）的形成為例，當(dāng)兩個(gè)氫原子相互靠近時(shí)，它們各自的1s電子云開(kāi)始重疊。根據(jù)量子力學(xué)原理，電子具有波動(dòng)性，兩個(gè)氫原子的1s電子以自旋相反的方式配對(duì)，使得電子云在兩個(gè)原子核之間的區(qū)域密度增大。這種電子云的重疊和電子配對(duì)，使得體系的能量降低，從而形成了穩(wěn)定的共價(jià)鍵。在氫氣分子中，兩個(gè)氫原子通過(guò)共享一對(duì)電子，各自達(dá)到了類似氦原子的穩(wěn)定電子層結(jié)構(gòu)，即最外層有2個(gè)電子。共價(jià)鍵具有方向性和飽和性這兩個(gè)重要特性。方向性源于原子軌道在空間的特定取向和分布，為了實(shí)現(xiàn)軌道的最大程度重疊，原子間形成共價(jià)鍵時(shí)必然具有方向性。在形成氯化氫（HCl）分子時(shí)，氫原子的1s軌道與氯原子的3p軌道沿著特定方向重疊，才能形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵。飽和性則是由原子中未成對(duì)電子的數(shù)量決定的，一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)原子的未成對(duì)電子數(shù)就是它能夠形成共價(jià)鍵的數(shù)目。氧原子最外層有6個(gè)電子，其中有2個(gè)未成對(duì)電子，所以它最多能與2個(gè)氫原子形成2個(gè)共價(jià)鍵，從而構(gòu)成水分子（H?O）。共價(jià)鍵的類型豐富多樣，根據(jù)原子軌道的重疊方式，可分為σ鍵和π鍵。σ鍵以“頭碰頭”的方式重疊，具有軸對(duì)稱性，電子云集中在兩原子核的連線上，如氫氣分子中的H-H鍵就是σ鍵。π鍵則以“肩并肩”的方式重疊，呈鏡像對(duì)稱，電子云分布在兩原子核連線的上下兩側(cè)，常見(jiàn)于雙鍵和三鍵中，如乙烯（C?H?）分子中，碳原子之間除了有一個(gè)σ鍵外，還有一個(gè)π鍵，共同構(gòu)成碳-碳雙鍵。根據(jù)成鍵原子的電負(fù)性差異，共價(jià)鍵又可分為極性共價(jià)鍵和非極性共價(jià)鍵。當(dāng)成鍵原子的電負(fù)性不同時(shí)，共用電子對(duì)會(huì)偏向電負(fù)性較大的原子，使得化學(xué)鍵具有極性，如HCl分子中的H-Cl鍵，氯原子的電負(fù)性大于氫原子，電子對(duì)偏向氯原子，該鍵為極性共價(jià)鍵。當(dāng)成鍵原子的電負(fù)性相同時(shí)，共用電子對(duì)不發(fā)生偏移，形成非極性共價(jià)鍵，如氫氣分子中的H-H鍵以及氧氣分子（O?）中的O=O鍵均為非極性共價(jià)鍵。3.1.2離子鍵離子鍵的形成源于原子間的電子轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生陰、陽(yáng)離子，這些離子通過(guò)靜電作用相互吸引而形成化學(xué)鍵。以氯化鈉（NaCl）的形成為例，鈉原子（Na）的最外層電子排布為3s1，它容易失去1個(gè)電子，達(dá)到類似氖原子的穩(wěn)定電子層結(jié)構(gòu)，形成鈉離子（Na?）；氯原子（Cl）的最外層電子排布為3s23p?，它容易獲得1個(gè)電子，達(dá)到類似氬原子的穩(wěn)定電子層結(jié)構(gòu)，形成氯離子（Cl?）。鈉離子和氯離子由于帶相反電荷，它們之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電引力，這種靜電引力使得它們相互靠近。然而，當(dāng)離子間距離過(guò)近時(shí)，電子與電子、原子核與原子核之間的靜電排斥作用會(huì)逐漸增強(qiáng)。當(dāng)靜電吸引與靜電排斥達(dá)到平衡時(shí)，體系能量達(dá)到最低，鈉離子和氯離子便形成了穩(wěn)定的離子鍵，構(gòu)成氯化鈉晶體。離子鍵的一個(gè)顯著特點(diǎn)是沒(méi)有方向性。這是因?yàn)殡x子的電荷分布可近似看作是球形對(duì)稱的，它們?cè)诳臻g各個(gè)方向上都能等同地吸引帶相反電荷的離子，靜電作用不存在空間選擇性。在氯化鈉晶體中，一個(gè)鈉離子周?chē)穆入x子在各個(gè)方向上與鈉離子的相互作用是相同的，不存在特定的方向偏好。離子鍵也不具有飽和性，在離子晶體中，只要空間位置允許，每個(gè)離子都會(huì)盡可能多地吸引帶相反電荷的離子，以降低體系的能量。在氯化鈉晶體中，一個(gè)鈉離子不僅能吸引6個(gè)最近的氯離子，較遠(yuǎn)的氯離子只要在其靜電作用范圍內(nèi)，也會(huì)被吸引。從更大范圍來(lái)看，整個(gè)氯化鈉晶體可以看作是一個(gè)巨型分子，其中鈉離子和氯離子的排列方式不斷重復(fù)，它們之間的比例為1:1，并不存在單個(gè)的NaCl分子，NaCl化學(xué)式僅表示晶體中兩種元素原子的比例關(guān)系。離子鍵的強(qiáng)度主要取決于離子的半徑和電荷。離子所帶電荷越多，與帶相反電荷的離子之間的靜電作用就越強(qiáng)，形成的離子鍵也就越牢固，相應(yīng)的離子化合物也就越穩(wěn)定。離子鍵的穩(wěn)定性還與離子的核間距離有關(guān)，核間距離等于陰、陽(yáng)離子的半徑之和，離子半徑越小，離子間距離越近，離子鍵的強(qiáng)度越大。在氧化鎂（MgO）和氯化鈉（NaCl）中，鎂離子（Mg2?）和氧離子（O2?）所帶電荷分別為+2和-2，而鈉離子（Na?）和氯離子（Cl?）所帶電荷分別為+1和-1，且鎂離子和氧離子的半徑相對(duì)較小，因此氧化鎂中的離子鍵比氯化鈉中的離子鍵更強(qiáng)，氧化鎂的熔點(diǎn)（2852℃）也遠(yuǎn)高于氯化鈉的熔點(diǎn)（801℃）。3.1.3金屬鍵金屬鍵是金屬原子與自由電子之間的相互作用，它使得金屬原子能夠結(jié)合成金屬晶體。在金屬晶體中，金屬原子的電離能較低，容易失去價(jià)電子，這些價(jià)電子不再屬于某個(gè)特定的原子，而是在整個(gè)金屬晶體中自由移動(dòng)，形成了所謂的“電子?！?。而失去價(jià)電子的金屬原子則成為正離子，鑲嵌在“電子?！敝?，并依靠與這些自由電子的靜電作用相互結(jié)合，從而形成金屬鍵。以銅（Cu）為例，銅原子的最外層電子容易脫離原子核的束縛，成為自由電子，這些自由電子在銅原子形成的晶格中自由穿梭，與銅離子相互作用，將銅原子緊密地結(jié)合在一起。金屬鍵的一個(gè)重要特征是沒(méi)有方向性和飽和性。由于自由電子在整個(gè)金屬晶體中自由移動(dòng)，它們與金屬離子的相互作用在空間各個(gè)方向上是均勻的，不存在特定的方向偏好，因此金屬鍵沒(méi)有方向性。金屬離子周?chē)梢匀菁{盡可能多的自由電子，只要空間允許，自由電子會(huì)盡可能地填充在金屬離子之間，使得體系能量最低，所以金屬鍵也沒(méi)有飽和性。金屬鍵的存在賦予了金屬許多獨(dú)特的物理性質(zhì)。金屬具有良好的導(dǎo)電性，在外加電壓的作用下，自由電子能夠在金屬晶體中定向移動(dòng)，形成電流。金屬的導(dǎo)熱性也很好，這是因?yàn)樽杂呻娮优c金屬離子之間的頻繁碰撞能夠快速傳遞能量，使得金屬能夠迅速傳導(dǎo)熱量。金屬還具有良好的延展性，當(dāng)金屬受到外力作用時(shí)，金屬原子之間可以相對(duì)滑動(dòng)，而自由電子的“膠合”作用能夠保持金屬鍵的完整性，使金屬不會(huì)斷裂，從而表現(xiàn)出良好的塑性變形能力。3.1.4范德華力范德華力是分子間的一種弱相互作用力，它對(duì)物質(zhì)的物理性質(zhì)，如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解度等有著重要影響。范德華力主要包括取向力、誘導(dǎo)力和色散力。取向力發(fā)生在極性分子之間。極性分子具有永久偶極，當(dāng)兩個(gè)極性分子相互接近時(shí)，它們的永久偶極會(huì)發(fā)生同極相斥、異極相吸的作用，從而使分子在空間中定向排列，產(chǎn)生分子間的作用力，這就是取向力。取向力的大小與分子的偶極矩和溫度有關(guān)，分子的偶極矩越大，取向力越大；溫度越高，分子的熱運(yùn)動(dòng)越劇烈，取向力越小。在氯化氫（HCl）分子之間，由于氯原子的電負(fù)性大于氫原子，HCl分子具有極性，存在永久偶極，它們之間會(huì)產(chǎn)生取向力。誘導(dǎo)力存在于極性分子與非極性分子之間以及極性分子之間。當(dāng)極性分子與非極性分子相互接近時(shí)，極性分子的永久偶極會(huì)使非極性分子發(fā)生極化，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極，然后誘導(dǎo)偶極與永久偶極相互吸引，從而產(chǎn)生誘導(dǎo)力。極性分子之間也存在誘導(dǎo)力，因?yàn)橐粋€(gè)極性分子的電場(chǎng)會(huì)影響另一個(gè)極性分子的電子云分布，使其產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極。在氯化氫分子與氬原子（Ar）之間，氯化氫分子的極性會(huì)使氬原子產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極，進(jìn)而產(chǎn)生誘導(dǎo)力。色散力則存在于所有分子之間，無(wú)論是極性分子還是非極性分子。分子中的電子在不停地運(yùn)動(dòng)，在某一瞬間，分子的正、負(fù)電荷重心可能會(huì)不重合，從而產(chǎn)生瞬時(shí)偶極。這種瞬時(shí)偶極會(huì)誘導(dǎo)相鄰分子也產(chǎn)生瞬時(shí)偶極，它們之間的相互作用就是色散力。色散力的大小與分子的變形性有關(guān)，分子的變形性越大，色散力越大。分子的變形性又與分子的相對(duì)分子質(zhì)量和分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，相對(duì)分子質(zhì)量越大，分子內(nèi)所含的電子數(shù)越多，分子的變形性越大，色散力也就越大。在稀有氣體中，如氦（He）、氖（Ne）、氬（Ar）等，它們都是單原子分子，分子間主要存在色散力。隨著相對(duì)分子質(zhì)量的增大，從氦到氬，分子間的色散力逐漸增強(qiáng)，它們的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)也逐漸升高。范德華力無(wú)飽和性和方向性，它永久存在于一切分子之間。雖然范德華力比化學(xué)鍵弱得多，其作用能一般只有每摩爾幾千焦至幾十千焦，比化學(xué)鍵的鍵能小1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，但它對(duì)物質(zhì)的許多物理性質(zhì)起著決定性的作用。在常溫常壓下，氧氣（O?）和氮?dú)猓∟?）都是氣體，它們的分子間主要通過(guò)范德華力相互作用。由于氧氣分子的相對(duì)分子質(zhì)量大于氮?dú)夥肿?，氧氣分子間的色散力更強(qiáng)，所以氧氣的沸點(diǎn)（-183℃）比氮?dú)獾姆悬c(diǎn)（-196℃）略高。3.1.5氫鍵氫鍵是一種特殊的分子間作用力，它是由已經(jīng)與電負(fù)性很大的原子（如N、O、F等）形成共價(jià)鍵的氫原子，與另一個(gè)分子中電負(fù)性很大的原子之間的相互吸引作用形成的。以水分子（H?O）為例，在水分子中，氫原子與氧原子形成共價(jià)鍵，由于氧原子的電負(fù)性很大，電子云強(qiáng)烈偏向氧原子，使得氫原子幾乎成為“裸露”的質(zhì)子，帶有部分正電荷。當(dāng)一個(gè)水分子中的氫原子與另一個(gè)水分子中電負(fù)性很大的氧原子接近時(shí)，它們之間會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的靜電吸引作用，這種作用就是氫鍵。氫鍵通常用X-H…Y來(lái)表示，其中X和Y代表電負(fù)性很大的原子，如在水中，O-H…O表示水分子之間的氫鍵。氫鍵具有方向性和飽和性。方向性是指X-H…Y三個(gè)原子盡可能在同一條直線上，這樣可以使X和Y之間的距離最遠(yuǎn)，電子云之間的排斥力最小，體系能量最低，氫鍵最強(qiáng)。飽和性則是指一個(gè)氫原子只能與一個(gè)電負(fù)性很大的原子形成氫鍵，這是因?yàn)闅湓拥捏w積很小，當(dāng)它與一個(gè)電負(fù)性很大的原子形成氫鍵后，另一個(gè)電負(fù)性很大的原子很難再接近它。在冰的晶體結(jié)構(gòu)中，每個(gè)水分子都通過(guò)氫鍵與周?chē)?個(gè)水分子相連，形成了規(guī)則的四面體結(jié)構(gòu)，這充分體現(xiàn)了氫鍵的方向性和飽和性。氫鍵在生物分子中起著至關(guān)重要的作用，對(duì)維持生物分子的結(jié)構(gòu)和功能具有不可或缺的意義。在DNA分子中，兩條鏈之間通過(guò)堿基對(duì)之間的氫鍵相互連接，形成穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)。腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）之間形成2個(gè)氫鍵，鳥(niǎo)嘌呤（G）與胞嘧啶（C）之間形成3個(gè)氫鍵，這些氫鍵的存在保證了DNA分子的穩(wěn)定性，使得遺傳信息能夠準(zhǔn)確地傳遞和復(fù)制。在蛋白質(zhì)分子中，氫鍵參與了蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)（如α-螺旋和β-折疊）的形成。在α-螺旋結(jié)構(gòu)中，肽鏈主鏈上的羰基氧與相隔3個(gè)氨基酸殘基的酰胺氫之間形成氫鍵，這些氫鍵沿著螺旋軸方向排列，使得α-螺旋結(jié)構(gòu)得以穩(wěn)定。在β-折疊結(jié)構(gòu)中，相鄰肽鏈之間的羰基氧和酰胺氫之間形成氫鍵，維持了β-折疊的穩(wěn)定性。蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)和四級(jí)結(jié)構(gòu)的形成也離不開(kāi)氫鍵的作用，它有助于蛋白質(zhì)分子形成特定的三維空間構(gòu)象，從而實(shí)現(xiàn)其生物學(xué)功能，如酶的催化活性、抗體與抗原的特異性結(jié)合等都依賴于蛋白質(zhì)正確的空間結(jié)構(gòu)，而氫鍵在其中起到了關(guān)鍵的穩(wěn)定作用。3.2相互作用勢(shì)能與力的關(guān)系原子分子間的相互作用勢(shì)能與它們之間的距離密切相關(guān)，這種關(guān)系深刻地反映了原子分子體系的能量狀態(tài)和相互作用特性。當(dāng)原子分子間距離發(fā)生變化時(shí)，相互作用勢(shì)能會(huì)隨之改變，而力作為勢(shì)能的負(fù)梯度，能夠精確地描述勢(shì)能隨距離的變化率，從而揭示原子分子間相互作用的本質(zhì)。以簡(jiǎn)單的雙原子分子體系為例，當(dāng)兩個(gè)原子相距較遠(yuǎn)時(shí)，它們之間的相互作用主要表現(xiàn)為微弱的吸引力，這種吸引力隨著距離的減小而逐漸增強(qiáng)。在這個(gè)階段，相互作用勢(shì)能隨著原子間距離的減小而降低，體系趨向于更加穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)原子間距離減小到一定程度后，電子云的重疊導(dǎo)致泡利排斥力迅速增大，此時(shí)原子間的相互作用表現(xiàn)為強(qiáng)烈的排斥力，相互作用勢(shì)能急劇上升。這種勢(shì)能隨距離的變化關(guān)系可以用勢(shì)能曲線來(lái)直觀地表示，勢(shì)能曲線的形狀和特征反映了原子分子間相互作用的類型和強(qiáng)度。在典型的分子間相互作用勢(shì)能曲線中，存在一個(gè)勢(shì)能最低點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的原子間距離為平衡距離。在平衡距離處，原子間的吸引力和排斥力達(dá)到平衡，體系的能量最低，分子處于最穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)原子間距離大于平衡距離時(shí)，吸引力主導(dǎo)，勢(shì)能隨著距離的增大而增大；當(dāng)原子間距離小于平衡距離時(shí)，排斥力主導(dǎo)，勢(shì)能隨著距離的減小而迅速增大。從數(shù)學(xué)角度來(lái)看，力與相互作用勢(shì)能之間存在著明確的定量關(guān)系，力是勢(shì)能的負(fù)梯度，即F=-\frac{dU}{dr}，其中F表示原子分子間的相互作用力，U表示相互作用勢(shì)能，r表示原子分子間的距離。這個(gè)公式表明，力的方向總是指向勢(shì)能降低的方向，力的大小等于勢(shì)能隨距離變化的斜率。當(dāng)勢(shì)能曲線的斜率為正時(shí)，力為負(fù)，表示吸引力；當(dāng)勢(shì)能曲線的斜率為負(fù)時(shí)，力為正，表示排斥力。勢(shì)能曲線的斜率越大，力的絕對(duì)值越大，說(shuō)明原子分子間的相互作用越強(qiáng)。通過(guò)具體的勢(shì)能函數(shù)，如Lennard-Jones勢(shì)能函數(shù)，可以更深入地理解這種關(guān)系。Lennard-Jones勢(shì)能函數(shù)常用于描述分子間的范德華力相互作用，其表達(dá)式為U(r)=4\epsilon[(\frac{\sigma}{r})^{12}-(\frac{\sigma}{r})^{6}]，其中\(zhòng)epsilon表示勢(shì)阱深度，反映了分子間相互作用的強(qiáng)度；\sigma表示當(dāng)勢(shì)能為零時(shí)的分子間距離，與分子的大小有關(guān)。對(duì)Lennard-Jones勢(shì)能函數(shù)求導(dǎo)，可以得到分子間相互作用力的表達(dá)式F(r)=24\epsilon[2(\frac{\sigma}{r})^{13}-(\frac{\sigma}{r})^{7}]。根據(jù)這個(gè)表達(dá)式，可以繪制出相互作用力與分子間距離的關(guān)系曲線。當(dāng)分子間距離r大于\sigma時(shí)，(\frac{\sigma}{r})^{13}項(xiàng)的影響逐漸減小，(\frac{\sigma}{r})^{7}項(xiàng)起主導(dǎo)作用，此時(shí)相互作用力為負(fù)，表現(xiàn)為吸引力；當(dāng)分子間距離r小于\sigma時(shí)，(\frac{\sigma}{r})^{13}項(xiàng)迅速增大，相互作用力為正，表現(xiàn)為排斥力。在r=2^{\frac{1}{6}}\sigma處，相互作用力為零，此時(shí)分子處于平衡位置，對(duì)應(yīng)的勢(shì)能為-\epsilon，是勢(shì)能曲線的最低點(diǎn)。在實(shí)際研究中，利用qPlus-AFM技術(shù)可以精確測(cè)量原子分子間的相互作用力與距離的關(guān)系，從而得到相互作用勢(shì)能曲線。通過(guò)對(duì)勢(shì)能曲線的分析，可以獲取原子分子間相互作用的關(guān)鍵參數(shù)，如平衡距離、勢(shì)阱深度等，進(jìn)而深入了解原子分子間相互作用的機(jī)制和特性。在研究分子吸附在表面的過(guò)程中，通過(guò)qPlus-AFM測(cè)量得到的相互作用力與距離的關(guān)系，可以計(jì)算出分子與表面之間的吸附勢(shì)能，確定吸附的穩(wěn)定性和吸附位點(diǎn)，為表面催化、傳感器設(shè)計(jì)等應(yīng)用提供重要的理論依據(jù)。四、基于qPlus-AFM技術(shù)的原子分子間相互作用研究方法4.1實(shí)驗(yàn)裝置與樣品制備qPlus-AFM實(shí)驗(yàn)裝置主要由qPlus力傳感器、掃描控制系統(tǒng)、真空與低溫系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等部分構(gòu)成。qPlus力傳感器是整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的核心部件，其關(guān)鍵在于采用了石英音叉結(jié)構(gòu)。音叉的一個(gè)懸臂被牢固地固定在質(zhì)量較大的基底上，另一個(gè)自由懸臂則裝配有極其精細(xì)的針尖。在實(shí)際操作中，安裝針尖是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，需要借助高精度的微操作設(shè)備。例如，利用光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡的輔助，將針尖準(zhǔn)確無(wú)誤地固定在音叉的自由懸臂上。針尖的選擇至關(guān)重要，不同的研究對(duì)象和實(shí)驗(yàn)?zāi)康男枰x用不同類型的針尖。對(duì)于高分辨率成像和原子尺度的力測(cè)量，通常會(huì)選擇具有尖銳尖端、低磨損率和良好導(dǎo)電性的針尖。為了進(jìn)一步提高成像分辨率和力測(cè)量精度，還會(huì)對(duì)針尖進(jìn)行修飾。在針尖表面沉積一層超薄的金屬膜（如鉑、銥等），可以增強(qiáng)針尖與樣品之間的相互作用，從而提高對(duì)微弱力的探測(cè)靈敏度；或者在針尖上連接特定的分子或原子，利用其與樣品表面的特異性相互作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定原子或分子的識(shí)別和測(cè)量。掃描控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)精確控制針尖在樣品表面的掃描運(yùn)動(dòng)，其核心部件是壓電陶瓷掃描管。壓電陶瓷掃描管具有良好的壓電效應(yīng)，能夠在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生精確的位移。通過(guò)施加不同大小和方向的電壓信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)針尖在X、Y、Z三個(gè)方向上的高精度掃描，掃描范圍通常可以達(dá)到幾微米甚至更大。掃描控制系統(tǒng)還配備了高精度的位置傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)針尖的位置信息。采用電容式位移傳感器或光學(xué)干涉儀等設(shè)備，能夠精確測(cè)量壓電陶瓷掃描管的位移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)針尖位置的閉環(huán)控制，確保掃描過(guò)程的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。真空與低溫系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)提供了特殊的環(huán)境條件。真空系統(tǒng)的主要作用是降低環(huán)境氣體分子對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。通常采用分子泵、離子泵等設(shè)備將實(shí)驗(yàn)腔室內(nèi)的氣壓降低至超高真空水平（10-10mBar量級(jí)）。在這樣的真空環(huán)境下，針尖與樣品之間的相互作用更加純凈，能夠有效減少氣體分子對(duì)力測(cè)量和成像的影響。低溫系統(tǒng)則用于實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境，滿足一些特殊研究的需求。通過(guò)液氦制冷或低溫制冷機(jī)等設(shè)備，可以將樣品和針尖冷卻至極低溫度（如4K甚至更低）。在低溫環(huán)境下，原子分子的熱運(yùn)動(dòng)顯著減弱，有利于實(shí)現(xiàn)更高分辨率的成像和更精確的力測(cè)量。在研究超導(dǎo)材料中的電子-電子相互作用時(shí)，低溫環(huán)境可以避免熱噪聲的干擾，使qPlus-AFM能夠更準(zhǔn)確地探測(cè)到超導(dǎo)材料表面原子間的相互作用力以及電子云的分布變化。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集和分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)通過(guò)高精度的A/D轉(zhuǎn)換器將qPlus力傳感器檢測(cè)到的微弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并實(shí)時(shí)記錄下來(lái)。利用鎖相放大器等設(shè)備對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，能夠有效提高信號(hào)的信噪比，提取出更準(zhǔn)確的力和頻率偏移信息。在數(shù)據(jù)處理方面，采用專門(mén)的軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。通過(guò)對(duì)力-距離曲線的分析，可以獲取原子分子間相互作用力的大小、方向以及作用范圍等信息；對(duì)頻率偏移信號(hào)的分析，可以得到樣品表面的形貌和電子態(tài)等信息。還可以利用圖像處理技術(shù)對(duì)成像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高圖像的分辨率和清晰度，從而更直觀地觀察原子分子的排列和相互作用情況。不同的樣品需要采用不同的制備方法，以滿足qPlus-AFM實(shí)驗(yàn)的要求。對(duì)于金屬樣品，常用的制備方法包括機(jī)械拋光和化學(xué)腐蝕。首先對(duì)金屬樣品進(jìn)行機(jī)械拋光，使用砂紙和拋光膏等工具，將樣品表面打磨至光滑平整，以減少表面粗糙度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。進(jìn)行化學(xué)腐蝕處理，將金屬樣品浸泡在特定的腐蝕液中，去除表面的氧化層和雜質(zhì)，使樣品表面露出純凈的金屬原子。在制備銅樣品時(shí)，先用砂紙將其表面打磨光滑，然后將其浸泡在硝酸和鹽酸的混合溶液中進(jìn)行腐蝕，去除表面的氧化銅和其他雜質(zhì)，得到清潔的銅表面。半導(dǎo)體樣品的制備則更為復(fù)雜，通常需要經(jīng)過(guò)光刻、刻蝕等微加工工藝。首先，在半導(dǎo)體襯底上涂覆一層光刻膠，利用光刻技術(shù)將設(shè)計(jì)好的圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上。通過(guò)曝光和顯影等步驟，在光刻膠上形成與設(shè)計(jì)圖案一致的圖形。接著，采用刻蝕技術(shù)，將光刻膠圖案轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體襯底上，去除不需要的半導(dǎo)體材料，形成特定的結(jié)構(gòu)。在制備硅基半導(dǎo)體樣品時(shí)，先在硅襯底上涂覆光刻膠，然后利用紫外線光刻技術(shù)將電路圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上，再通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)去除不需要的硅材料，形成所需的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。對(duì)于有機(jī)分子樣品，一般采用分子束外延（MBE）或物理氣相沉積（PVD）等方法進(jìn)行制備。分子束外延是一種在超高真空環(huán)境下，將原子或分子束蒸發(fā)到襯底表面，使其逐層生長(zhǎng)形成薄膜的技術(shù)。在制備有機(jī)分子薄膜時(shí)，將有機(jī)分子加熱蒸發(fā)，形成分子束，然后在超高真空環(huán)境下將分子束蒸發(fā)到清潔的襯底表面，通過(guò)精確控制分子束的流量和襯底的溫度，使分子在襯底表面逐層生長(zhǎng)，形成高質(zhì)量的有機(jī)分子薄膜。物理氣相沉積則是通過(guò)加熱或?yàn)R射等方式，將材料蒸發(fā)或?yàn)R射成原子或分子，然后在襯底表面沉積形成薄膜。在制備有機(jī)分子樣品時(shí)，也可以采用溶液旋涂法，將有機(jī)分子溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲校缓髮⑷芤旱卧谝r底表面，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)襯底，使溶液均勻地鋪展在襯底表面，形成一層均勻的薄膜。樣品制備過(guò)程中的要點(diǎn)在于確保樣品表面的清潔和平整，避免表面污染和雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。在制備過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度、濕度和潔凈度，采用超純水、高純氣體等試劑，以保證樣品的質(zhì)量。對(duì)于一些對(duì)表面質(zhì)量要求極高的實(shí)驗(yàn)，還需要對(duì)制備好的樣品進(jìn)行表面分析和表征，如利用X射線光電子能譜（XPS）、俄歇電子能譜（AES）等技術(shù)，檢測(cè)樣品表面的化學(xué)成分和原子價(jià)態(tài)，確保樣品表面符合實(shí)驗(yàn)要求。4.2實(shí)驗(yàn)操作流程在進(jìn)行基于qPlus-AFM技術(shù)的原子分子間相互作用研究實(shí)驗(yàn)前，需要進(jìn)行一系列嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的準(zhǔn)備工作。儀器校準(zhǔn)是確保實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟之一，對(duì)于qPlus-AFM的關(guān)鍵參數(shù)，如掃描范圍、掃描精度、力檢測(cè)靈敏度等，必須依據(jù)儀器的使用手冊(cè)，采用標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行校準(zhǔn)。選用具有已知原子級(jí)平整表面的云母片或高度有序的石墨等標(biāo)準(zhǔn)樣品，通過(guò)掃描這些標(biāo)準(zhǔn)樣品，對(duì)掃描控制系統(tǒng)的壓電陶瓷掃描管進(jìn)行校準(zhǔn)，確保其在X、Y、Z方向上的位移精度達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。利用標(biāo)準(zhǔn)力校準(zhǔn)樣品，對(duì)qPlus力傳感器的力檢測(cè)靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)，保證力測(cè)量的準(zhǔn)確性。校準(zhǔn)過(guò)程中，要對(duì)儀器進(jìn)行多次測(cè)量和調(diào)整，以確保各項(xiàng)參數(shù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。針尖處理同樣至關(guān)重要。由于針尖的狀態(tài)直接影響到成像分辨率和力測(cè)量精度，因此需要對(duì)針尖進(jìn)行嚴(yán)格的處理和檢測(cè)。在安裝針尖前，要對(duì)其進(jìn)行清潔，去除表面的污染物和雜質(zhì)，以保證針尖與樣品之間的相互作用不受干擾?？梢圆捎贸暻逑吹姆椒ǎ瑢⑨樇饨菰跓o(wú)水乙醇或丙酮等有機(jī)溶劑中，在超聲作用下，使污染物從針尖表面脫離。清洗后，對(duì)針尖進(jìn)行檢測(cè)，利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察針尖的形狀和尖端的尖銳程度，確保針尖沒(méi)有損壞且具有良好的形狀。若發(fā)現(xiàn)針尖存在缺陷或磨損，應(yīng)及時(shí)更換。為了提高針尖的性能，還可以對(duì)針尖進(jìn)行修飾。在針尖表面沉積一層超薄的金屬膜（如鉑、銥等），可以增強(qiáng)針尖與樣品之間的相互作用，從而提高對(duì)微弱力的探測(cè)靈敏度；或者在針尖上連接特定的分子或原子，利用其與樣品表面的特異性相互作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定原子或分子的識(shí)別和測(cè)量。在研究DNA分子時(shí)，可以在針尖上連接互補(bǔ)的DNA片段，通過(guò)檢測(cè)針尖與DNA分子之間的特異性結(jié)合力，實(shí)現(xiàn)對(duì)DNA序列的識(shí)別。在掃描過(guò)程中，合理設(shè)置和調(diào)整參數(shù)是獲取高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。掃描范圍的選擇要根據(jù)樣品的尺寸和研究目的來(lái)確定，若研究的是宏觀樣品的整體形貌，可選擇較大的掃描范圍，如幾微米甚至幾十微米；若關(guān)注的是樣品的局部微觀結(jié)構(gòu)，如單個(gè)原子或分子的排列，應(yīng)選擇較小的掃描范圍，如幾十納米甚至更小。掃描速度的設(shè)置要兼顧成像速度和圖像質(zhì)量，掃描速度過(guò)快可能導(dǎo)致圖像失真，而過(guò)慢則會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于高分辨率成像，掃描速度可設(shè)置在每秒幾行到幾十行之間；對(duì)于快速掃描獲取樣品的大致形貌，掃描速度可適當(dāng)提高。分辨率的設(shè)置則決定了圖像的精細(xì)程度，分辨率越高，圖像能夠呈現(xiàn)的細(xì)節(jié)就越豐富，但同時(shí)也會(huì)增加數(shù)據(jù)采集和處理的時(shí)間。在實(shí)際操作中，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求和儀器性能，在掃描速度和分辨率之間進(jìn)行權(quán)衡。當(dāng)研究分子的結(jié)構(gòu)時(shí)，為了清晰地觀察分子內(nèi)原子的排列，應(yīng)選擇較高的分辨率；而在對(duì)大面積樣品進(jìn)行初步掃描時(shí)，可適當(dāng)降低分辨率，提高掃描速度。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，還需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。若發(fā)現(xiàn)圖像存在明顯的噪聲或失真，可能需要降低掃描速度，增加信號(hào)采集時(shí)間，以提高信噪比；或者調(diào)整反饋參數(shù)，如反饋增益和設(shè)定點(diǎn)，使針尖與樣品之間的相互作用更加穩(wěn)定。當(dāng)針尖接近樣品表面時(shí)，相互作用力會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)需要實(shí)時(shí)調(diào)整針尖與樣品之間的距離，以保持恒定的相互作用力或頻率偏移。數(shù)據(jù)采集是實(shí)驗(yàn)操作流程中的重要環(huán)節(jié)，需要注意多個(gè)要點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集的頻率要足夠高，以確保能夠準(zhǔn)確捕捉到原子分子間相互作用的動(dòng)態(tài)變化。在研究化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，原子分子的相互作用變化迅速，需要較高的數(shù)據(jù)采集頻率，如每秒采集數(shù)千次甚至更高，才能完整地記錄反應(yīng)過(guò)程中的關(guān)鍵信息。要保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，避免數(shù)據(jù)丟失或錯(cuò)誤。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，檢查數(shù)據(jù)的合理性和一致性。利用數(shù)據(jù)采集軟件的自動(dòng)校驗(yàn)功能，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，及時(shí)查找原因并進(jìn)行處理。為了后續(xù)數(shù)據(jù)分析的方便，還需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的存儲(chǔ)和標(biāo)記，記錄下實(shí)驗(yàn)條件、掃描參數(shù)、樣品信息等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以便在數(shù)據(jù)分析時(shí)能夠準(zhǔn)確地還原實(shí)驗(yàn)過(guò)程。4.3數(shù)據(jù)處理與分析方法在基于qPlus-AFM技術(shù)的原子分子間相互作用研究中，采集到的原始數(shù)據(jù)往往包含各種噪聲和干擾，需要進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理與分析，才能準(zhǔn)確獲取原子分子間相互作用力信息，揭示其相互作用的本質(zhì)和規(guī)律。對(duì)于采集到的頻率偏移（Δf）等數(shù)據(jù)，首先要進(jìn)行濾波處理，以去除高頻噪聲和低頻漂移的影響。采用低通濾波器可以有效去除高頻噪聲，保留信號(hào)中的低頻成分，這些低頻成分包含了原子分子間相互作用的主要信息。低通濾波器的截止頻率需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和研究目的進(jìn)行合理選擇，一般來(lái)說(shuō)，截止頻率應(yīng)設(shè)置在信號(hào)中有效頻率成分的上限附近，以避免過(guò)度濾波導(dǎo)致信號(hào)失真。還可以使用高通濾波器去除低頻漂移，低頻漂移可能源于儀器的熱漂移、樣品的緩慢形變等因素，高通濾波器能夠使高頻信號(hào)順利通過(guò)，而阻止低頻信號(hào)，從而使數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確。在研究分子在表面的吸附過(guò)程時(shí)，由于儀器的熱漂移可能會(huì)導(dǎo)致頻率偏移數(shù)據(jù)出現(xiàn)緩慢的變化，通過(guò)高通濾波器可以去除這種低頻漂移，更準(zhǔn)確地觀察分子吸附過(guò)程中頻率偏移的快速變化，從而獲取分子與表面之間相互作用力的動(dòng)態(tài)變化信息。降噪也是數(shù)據(jù)處理的重要環(huán)節(jié)，常用的降噪方法有小波變換降噪和均值濾波降噪。小波變換降噪是一種基于小波分析的信號(hào)處理方法，它能夠?qū)⑿盘?hào)分解為不同頻率的小波系數(shù)，通過(guò)對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行閾值處理，可以有效地去除噪聲。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)選擇合適的小波基函數(shù)和分解層數(shù)，對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行軟閾值或硬閾值處理，將小于閾值的小波系數(shù)置零，然后通過(guò)小波逆變換重構(gòu)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)降噪的目的。均值濾波降噪則是通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)窗口內(nèi)的均值來(lái)平滑信號(hào)，減少噪聲的影響。將數(shù)據(jù)劃分為若干個(gè)窗口，每個(gè)窗口包含一定數(shù)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，計(jì)算每個(gè)窗口內(nèi)數(shù)據(jù)的均值，并用均值代替窗口內(nèi)的原始數(shù)據(jù)，從而達(dá)到降噪的效果。均值濾波降噪適用于去除隨機(jī)噪聲，但在平滑信號(hào)的同時(shí)，可能會(huì)對(duì)信號(hào)的細(xì)節(jié)信息造成一定的損失，因此需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的窗口大小。在處理qPlus-AFM采集到的力-距離曲線數(shù)據(jù)時(shí)，由于力信號(hào)中可能存在隨機(jī)噪聲，通過(guò)均值濾波降噪可以使力-距離曲線更加平滑，便于后續(xù)分析力與距離之間的關(guān)系。通過(guò)數(shù)據(jù)分析獲取相互作用力信息是整個(gè)研究的關(guān)鍵。在頻率調(diào)制模式下，頻率偏移（Δf）與針尖-樣品之間的相互作用力梯度密切相關(guān)，根據(jù)胡克定律和牛頓第二定律，通過(guò)對(duì)頻率偏移數(shù)據(jù)的分析，可以計(jì)算出相互作用力的大小。假設(shè)已知qPlus力傳感器的彈性系數(shù)k、品質(zhì)因子Q以及頻率偏移Δf，根據(jù)公式F=-\frac{2kQ}{f_0}\Deltaf（其中f_0為音叉的自由共振頻率），就可以計(jì)算出針尖-樣品之間的相互作用力F。在實(shí)際計(jì)算中，需要準(zhǔn)確測(cè)量和校準(zhǔn)qPlus力傳感器的各項(xiàng)參數(shù)，以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。還可以通過(guò)分析頻率偏移數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，判斷相互作用力的性質(zhì)，當(dāng)頻率偏移隨著針尖-樣品距離的減小而迅速增大時(shí)，表明相互作用力主要為排斥力；當(dāng)頻率偏移隨著針尖-樣品距離的減小而緩慢變化或先減小后增大時(shí)，表明相互作用力主要為吸引力。除了直接計(jì)算相互作用力外，還可以通過(guò)構(gòu)建相互作用勢(shì)能曲線來(lái)深入理解原子分子間的相互作用。根據(jù)力與相互作用勢(shì)能之間的關(guān)系F=-\frac{dU}{dr}（其中U為相互作用勢(shì)能，r為原子分子間的距離），對(duì)計(jì)算得到的相互作用力進(jìn)行積分，可以得到相互作用勢(shì)能曲線。通過(guò)分析相互作用勢(shì)能曲線的形狀和特征，可以獲取原子分子間相互作用的關(guān)鍵信息，如平衡距離、勢(shì)阱深度等。在平衡距離處，相互作用勢(shì)能最低，原子分子處于最穩(wěn)定的狀態(tài)；勢(shì)阱深度則反映了相互作用的強(qiáng)度，勢(shì)阱越深，相互作用越強(qiáng)。在研究分子吸附在表面的過(guò)程中，相互作用勢(shì)能曲線可以幫助我們確定分子在表面的吸附位點(diǎn)和吸附能，分子在表面的吸附位點(diǎn)通常位于相互作用勢(shì)能曲線的最小值處，吸附能則等于分子在吸附位點(diǎn)處的相互作用勢(shì)能與分子在自由狀態(tài)下的勢(shì)能之差。為了更直觀地展示原子分子間的相互作用，還可以利用圖像處理技術(shù)對(duì)成像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)掃描得到的樣品表面形貌圖像進(jìn)行灰度處理、對(duì)比度增強(qiáng)等操作，可以清晰地顯示出原子分子的排列和分布情況。利用圖像識(shí)別算法，可以識(shí)別出圖像中的原子分子，并測(cè)量它們之間的距離和相對(duì)位置關(guān)系，從而進(jìn)一步分析原子分子間的相互作用。在研究二維材料的原子結(jié)構(gòu)時(shí)，通過(guò)圖像處理技術(shù)可以清晰地顯示出二維材料中原子的晶格結(jié)構(gòu)，通過(guò)圖像識(shí)別算法可以測(cè)量原子間的鍵長(zhǎng)和鍵角，從而深入了解二維材料中原子間的相互作用和化學(xué)鍵的性質(zhì)。五、qPlus-AFM技術(shù)在原子分子間相互作用研究中的應(yīng)用案例5.1單原子、單分子體系研究5.1.1原子分辨成像qPlus-AFM技術(shù)在單原子體系的原子分辨成像研究中展現(xiàn)出了卓越的能力，為我們深入了解原子的排列和相互作用提供了直觀且精確的信息。在對(duì)硅表面的研究中，qPlus-AFM取得了令人矚目的成果。硅作為半導(dǎo)體材料的典型代表，其表面原子結(jié)構(gòu)和相互作用對(duì)于半導(dǎo)體器件的性能有著至關(guān)重要的影響。研究人員利用qPlus-AFM對(duì)Si(111)-(7×7)表面進(jìn)行了原子分辨成像。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)精確控制qPlus力傳感器的針尖與樣品表面的距離和相互作用力，成功獲得了具有原子級(jí)分辨率的圖像（如圖1所示）。從圖像中可以清晰地觀察到硅表面原子呈現(xiàn)出規(guī)則的排列結(jié)構(gòu)，每個(gè)硅原子的位置都能被準(zhǔn)確識(shí)別。這種高精度的成像能力使得研究人員能夠?qū)璞砻嬖娱g的相互作用進(jìn)行深入分析。通過(guò)測(cè)量原子間的距離和相互作用力，發(fā)現(xiàn)硅原子之間通過(guò)共價(jià)鍵相互連接，形成了穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵的方向性和飽和性在圖像中也得到了直觀的體現(xiàn)，相鄰硅原子之間的鍵長(zhǎng)和鍵角具有特定的數(shù)值，這與理論預(yù)測(cè)相符。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，硅表面的原子排列并非完全均勻，存在著一些缺陷和重構(gòu)現(xiàn)象。這些缺陷和重構(gòu)區(qū)域的原子間相互作用與理想晶體區(qū)域有所不同，通過(guò)qPlus-AFM的高分辨率成像，研究人員能夠詳細(xì)研究這些差異，揭示缺陷和重構(gòu)對(duì)硅表面物理性質(zhì)的影響。在硅表面的某些缺陷處，原子間的共價(jià)鍵發(fā)生了畸變，導(dǎo)致電子云分布發(fā)生變化，從而影響了硅表面的電學(xué)性質(zhì)。[此處插入Si(111)-(7×7)表面的qPlus-AFM原子分辨成像圖]除了硅表面，qPlus-AFM還在其他單原子體系的研究中發(fā)揮了重要作用。在對(duì)金屬表面原子的研究中，qPlus-AFM能夠清晰地分辨出金屬原子的排列方式和晶格結(jié)構(gòu)。在研究銅表面時(shí)，qPlus-AFM圖像顯示銅原子呈面心立方晶格排列，原子間通過(guò)金屬鍵相互作用。金屬鍵的無(wú)方向性和無(wú)飽和性使得銅原子能夠在空間中緊密堆積，形成穩(wěn)定的金屬晶體結(jié)構(gòu)。通過(guò)分析qPlus-AFM圖像中原子的亮度和對(duì)比度，還可以獲取關(guān)于金屬原子電子云分布的信息，進(jìn)一步了解金屬鍵的本質(zhì)。由于金屬原子的外層電子較為自由，在qPlus-AFM圖像中，金屬原子周?chē)碾娮釉品植枷鄬?duì)較為均勻，這反映了金屬鍵中電子的離域特性。qPlus-AFM在原子分辨成像方面的優(yōu)勢(shì)不僅在于能夠清晰地顯示原子的位置和排列，還在于其能夠探測(cè)到原子間相互作用的微小變化。在研究原子吸附在表面的過(guò)程中，qPlus-AFM可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)吸附原子與表面原子之間的相互作用力變化，從而確定吸附的位置和穩(wěn)定性。當(dāng)一個(gè)外來(lái)原子吸附在硅表面時(shí)，qPlus-AFM能夠通過(guò)測(cè)量頻率偏移信號(hào)，精確地確定吸附原子在硅表面的具體位置，以及它與周?chē)柙又g的相互作用強(qiáng)度。這種對(duì)原子間相互作用的精確探測(cè)能力，為研究表面化學(xué)反應(yīng)、催化過(guò)程等提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。在表面催化反應(yīng)中，了解反應(yīng)物分子在催化劑表面的吸附位置和相互作用方式，對(duì)于理解反應(yīng)機(jī)理和提高催化效率至關(guān)重要。qPlus-AFM的原子分辨成像和相互作用探測(cè)能力，使得我們能夠在原子尺度上深入研究這些過(guò)程，為新型催化劑的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)。5.1.2分子結(jié)構(gòu)與相互作用分析qPlus-AFM技術(shù)在分子結(jié)構(gòu)與相互作用分析方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)槲覀兘沂痉肿娱g相互作用的微觀機(jī)制和結(jié)合方式，以五苯分子等為例，該技術(shù)展現(xiàn)出了對(duì)分子體系研究的強(qiáng)大能力。五苯分子是一種典型的有機(jī)分子，在有機(jī)電子學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景，其分子結(jié)構(gòu)和與襯底之間的相互作用備受關(guān)注。研究人員利用qPlus-AFM對(duì)五苯分子在金屬表面的吸附和自組裝進(jìn)行了深入研究。通過(guò)精確控制實(shí)驗(yàn)條件，成功獲得了五苯分子的高分辨率成像（如圖2所示）。從qPlus-AFM圖像中，可以清晰地分辨出五苯分子的平面結(jié)構(gòu)，分子中的每個(gè)碳原子和氫原子的位置都能被準(zhǔn)確識(shí)別。五苯分子由五個(gè)苯環(huán)稠合而成，呈現(xiàn)出狹長(zhǎng)的形狀，分子長(zhǎng)度約為1.6nm，寬度約為0.7nm。在金屬表面，五苯分子通過(guò)范德瓦耳斯力與金屬原子相互作用，形成穩(wěn)定的吸附結(jié)構(gòu)。通過(guò)分析qPlus-AFM圖像中分子與金屬表面之間的距離和相互作用力，發(fā)現(xiàn)五苯分子在金屬表面的吸附存在一定的取向偏好，分子長(zhǎng)軸傾向于沿著金屬表面的特定晶向排列，這種取向排列與金屬表面的原子結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)密切相關(guān)。[此處插入五苯分子在金屬表面的qPlus-AFM成像圖]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，五苯分子之間還存在著分子間相互作用，這種相互作用促使五苯分子在金屬表面形成有序的自組裝結(jié)構(gòu)。在qPlus-AFM圖像中，可以觀察到五苯分子以特定的間距和排列方式形成二維陣列，分子間通過(guò)π-π堆積相互作用結(jié)合在一起。π-π堆積作用源于分子中苯環(huán)的π電子云之間的相互作用，使得分子在自組裝過(guò)程中能夠保持穩(wěn)定的排列。通過(guò)測(cè)量分子間的距離和相互作用力，研究人員發(fā)現(xiàn)五苯分子間的π-π堆積距離約為0.35nm，相互作用能約為每摩爾幾千焦，這與理論計(jì)算結(jié)果相符。這種對(duì)分子間相互作用的精確測(cè)量，為理解分子自組裝的原理和設(shè)計(jì)新型分子材料提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。在設(shè)計(jì)有機(jī)電子器件時(shí)，了解分子間的相互作用和自組裝行為，可以優(yōu)化分子的排列和堆積方式，提高器件的性能。除了五苯分子，qPlus-AFM還被廣泛應(yīng)用于其他分子體系的研究。在對(duì)卟啉分子的研究中，qPlus-AFM能夠清晰地顯示卟啉分子的環(huán)狀結(jié)構(gòu)以及中心金屬原子的位置。卟啉分子是一類具有重要生物和化學(xué)功能的分子，其與其他分子或表面的相互作用對(duì)其功能的發(fā)揮至關(guān)重要。通過(guò)qPlus-AFM成像和相互作用分析，發(fā)現(xiàn)卟啉分子在表面的吸附方式和相互作用強(qiáng)度與分子的取代基和表面性質(zhì)密切相關(guān)。在卟啉分子的邊緣引入不同的官能團(tuán)，會(huì)改變分子與表面之間的相互作用，從而影響分子在表面的排列和取向。這種對(duì)分子結(jié)構(gòu)和相互作用的深入研究，有助于揭示卟啉分子在光催化、生物傳感等領(lǐng)域的作用機(jī)制。在光催化過(guò)程中，卟啉分子與催化劑表面的相互作用會(huì)影響光生載流子的分離和傳輸效率，通過(guò)qPlus-AFM的研究，可以優(yōu)化卟啉分子與催化劑的結(jié)合方式