原子力顯微鏡適合用來探測二維材料如石墨烯(graphene)，但影像的對比度卻會隨顯微鏡探針頭的種類而異。最近，荷蘭、德國與芬蘭的研究人員發現鈍化的(passivated)原子力顯微鏡探針能產生更清晰的石墨烯影像，更清楚呈現缺陷及邊緣等奈米結構。
原子力顯微鏡是藉由探針掃掠過待測樣品表面時，探針頭與樣品間的微弱作用力使懸臂偏折來進行造影。要獲得高解析度，探針頭需在離樣本表面1 nm的範圍內移動，然而在此短距離內探針與樣品間可能會產生微弱的靜電吸引力，也就是凡得瓦力(Van der Waals force)。
由阿爾托(Aalto)大學的Liljeroth與烏特勒支(Utrecht)大學的Daniel Vanmaekelbergh領導的研究團隊研究了石墨烯的原子力顯微鏡影像，發現其對比度取決於探針尖端原子的活性。該團隊比較了兩個不同探針所得到的影像：第一個實驗採用銥原子活性尖端；第二個實驗則利用一氧化碳分子來鈍化探針頂點。反應性探針與石墨烯表面有著排斥力與吸引力，而鈍化探針則僅有互斥作用。
此結果有助於澄清目前許多互相矛盾的研究結果。Liljeroth 表示，他們實驗的關鍵在於控制探針尖端處的原子種類，因此得以調控其化學反應性質。此方法使得研究人員能夠選擇探針與石墨烯之間的交互作用(化學鍵結或包立不相容)，進而決定最終影像的原子對比度。
該團隊採用配備「石英音叉」(quartz tuning fork,又稱Qplus)力感測器的低溫(5K)超高真空掃描式穿隧顯微鏡(STM)/原子力顯微鏡(AFM)，以便同時以STM及AFM觀察相同的原子區域。Qplus力感測器的另一好處是探針振動的振幅不到1 A，儀器的靈敏度因而提升至短距離力作用力等級。
此技術能以更高的解析度來探測石墨烯的奈米結構以及邊緣處。Liljeroth解釋，單獨使用掃描式穿隧顯微鏡無法獲得如此高的解析度，因為其對比度來自於局部態密度的變化，而局部態密度並不能正確反映原子的真實位置；使用探針具反應性的原子力顯微鏡同樣難以達成。
該團隊目前正使用此技術研究石墨烯奈米帶的性質，並試圖探討不同石墨烯奈米帶邊緣的磁性質，以及此磁性質與原子結構間的關連。詳見ACS Nano|DOI: 10.1021/nn3040155。
原始網站: http://nano.nchc.org.tw/
譯者:丁逸勳(台灣海洋大學材料工程研究所)
責任編輯:蔡雅芝