掃描探針顯微鏡

（ScanningProbeMicroscope，SPM）劉東掃描探針顯微鏡劉東顯微鏡發(fā)展歷史第一代：光學(xué)顯微鏡(1676)第二代：電子顯微鏡(1938)

第三代：掃描探針顯微鏡SPM（1982）顯微鏡發(fā)展歷史第一代：光學(xué)顯微鏡(1676)掃描探針顯微鏡

SPM(ScanningProbeMicroscope)是掃描隧道顯微鏡STM及原子力顯微鏡AFM，激光力顯微鏡LFM，磁力顯微鏡MFM等的統(tǒng)稱，國(guó)際上近年發(fā)展起來的表面分析儀器?？刂铺结樤诒粰z測(cè)樣品的表面進(jìn)行掃描，同時(shí)記錄下掃描過程中探針尖端和樣品表面的相互作用，就能得到樣品表面的相關(guān)信息。利用這種方法得到被測(cè)樣品表面信息的分辨率取決于控制掃描的定位精度和探針作用尖端的大?。刺结樀募怃J度）。掃描探針顯微鏡SPM(ScanningProbeMicSPM的特點(diǎn)

原子級(jí)高分辨率；實(shí)空間中表面的三維圖像；觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu);可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作;可以得到有關(guān)表面結(jié)構(gòu)的信息，例如表面不同層次的態(tài)密度、表面電子阱、電荷密度波、表面勢(shì)壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等。SPM的特點(diǎn)原子級(jí)高分辨率；SPM分類

名稱檢測(cè)信號(hào)分辨率備注掃描探針顯微鏡SPM掃描隧道顯微鏡STM探針-樣品間的隧道電流0.1nm（原子級(jí)分辨率）

原子力顯微鏡AFM探針－樣品間的原子作用力統(tǒng)稱掃描力顯微鏡SFM橫向力顯微鏡LFM探針－樣品間相對(duì)運(yùn)動(dòng)橫向作用力磁力顯微鏡MFM磁性探針－樣品間的磁力10nm靜電力顯微鏡EFM帶電荷探針－帶電樣品間靜電力1nm近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡SNOM光探針接收到樣品近場(chǎng)的光輻射100nm

SPM分類

名稱檢測(cè)信號(hào)分辨率備注掃掃描隧道顯微鏡STM探針掃描隧道顯微鏡

(scanningtunnelingmicroscope)掃描隧道顯微鏡

(scanningtunnelingm掃描隧道顯微鏡(scanningtunnelingmicroscope)1982年，GerdBinning及其合作者在IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室共同研制成功了第一臺(tái)，因此獲得1986年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。STM是通過檢測(cè)隧道電流來反映樣品表面形貌和結(jié)構(gòu)的。掃描隧道顯微鏡STM掃描隧道顯微鏡(scanningtunnelingmic使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)。在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣闊的前景，被國(guó)際科學(xué)界公認(rèn)為二十世紀(jì)八十年代世界十大科技成就之一。掃描隧道顯微鏡STM出現(xiàn)的意義使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表GerdBinning(IBM)(1947-)HeinrichRohrer(Zurich)(1933-)GerdBinning(IBM)HeinrichRo

美國(guó)商用機(jī)器公司利用STM直接操作原子，成功地在Ni上，按自己的意志安排原子合成IBM

字樣。美國(guó)商用機(jī)器公司利用STM直接操作原子，成功地在高分辨率，分辨率橫向0.1nm、縱向0.01nm；可實(shí)時(shí)地得到在實(shí)空間中表面的三維圖象；可觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)；可在真空、大氣等不同環(huán)境下工作，甚至可將樣品浸在溶液中，其工作溫度可以在mK到1100K范圍，并且探測(cè)過程對(duì)樣品無(wú)損傷；通過針尖與樣品間的電學(xué)和力學(xué)作用，可以進(jìn)行樣品表面的原子操縱或納米加工，構(gòu)造所需的納米結(jié)構(gòu)；配合掃描隧道譜STS可得到有關(guān)表面局域電子結(jié)構(gòu)的信息。STM的優(yōu)點(diǎn)高分辨率，分辨率橫向0.1nm、縱向0.01nm；STM的優(yōu)掃描隧道顯微鏡的原理結(jié)構(gòu)極細(xì)探針與研究物質(zhì)作為兩個(gè)探極。掃描探針一般采用直徑小于1mm的細(xì)金屬絲，如鎢絲、鉑―銥絲等；被觀測(cè)樣品應(yīng)具有一定導(dǎo)電性才可以產(chǎn)生隧道電流。掃描隧道顯微鏡的原理結(jié)構(gòu)極細(xì)探針與研究物質(zhì)作為兩個(gè)探極。掃描對(duì)于經(jīng)典物理學(xué)來說，當(dāng)一個(gè)粒子的動(dòng)能E低于前方勢(shì)壘的高度V0時(shí)，它不可能越過此勢(shì)壘，即透射系數(shù)等于零；而按量子力學(xué)的計(jì)算，在一般情況下，其透射系數(shù)不等于零，也就是說，粒子可以穿過比它能量更高的勢(shì)壘，這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。穿過的概率和距離有關(guān)，距離越近，穿過的幾率越大。當(dāng)兩個(gè)電極相距在幾個(gè)原子大小的范圍時(shí)，電子能從一極到達(dá)另一極，幾率和兩極的間距成指數(shù)反比關(guān)系。1、隧道電流（1）隧道效應(yīng)對(duì)于經(jīng)典物理學(xué)來說，當(dāng)一個(gè)粒子的動(dòng)能E低于前方勢(shì)壘的高度V0掃描隧道顯微鏡（STM）的工作原理是基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。掃描隧道顯微鏡（STM）的工作原理是基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。掃描探針顯微鏡課件T與勢(shì)壘寬度a、能量差（V0－E）以及粒子的質(zhì)量m有著很敏感的依賴關(guān)系，隨著a的增加，T將指數(shù)衰減，因此在宏觀實(shí)驗(yàn)中，很難觀察到粒子隧穿勢(shì)壘的現(xiàn)象。透射系數(shù)T與勢(shì)壘寬度a、能量差（V0－E）以及粒子的質(zhì)量m有著很敏感（2）隧道電流掃描隧道顯微鏡是將原子線度的探針和樣品表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品和針尖的距離非常接近時(shí)（通常小于1nm），在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過兩電極之間的勢(shì)壘流向另一電極，從而形成隧道電流。因此，STM圖像是樣品表面原子幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的綜合效應(yīng)的結(jié)果。（2）隧道電流隧道電流I是針尖的電子波函數(shù)和樣品表面的電子波函數(shù)重疊的量度，與針尖和樣品之間距離S和平均功函數(shù)Φ有關(guān)。Vb是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，Φ[=(Φ1+Φ2)/2]是平均功函數(shù),Φ1和Φ2分別為針尖和樣品的功函數(shù)，A為常數(shù)，在真空條件下約等于1。隧道電流I是針尖的電子波函數(shù)和樣品表面的電子波函數(shù)重疊的量度由上式可知，隧道電流I對(duì)針尖和樣品之間的距離S有著指數(shù)的依賴關(guān)系，距離S每減小0.1nm，隧道電流就增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。如果利用電子反饋線路控制隧道電流恒定不變，當(dāng)針尖在樣品表面掃描時(shí)，探針就會(huì)隨樣品表面高度的變化而上下波動(dòng)，將這種高度的變化記錄下來就得到樣品的表面形貌，這就是STM的工作原理。由上式可知，隧道電流I對(duì)針尖和樣品之間的距離S有著指數(shù)的依賴STM的工作原理示意圖原子尺度針尖被分析樣品樣品與針尖間距STM的工作原理示意圖原子尺度針尖被分析樣品樣品與針尖間距掃描探針顯微鏡課件掃描模式恒電流模式：適用于觀察表面形貌起伏較大的樣品。恒高度模式：掃描速度快，減少噪音等，不能用于觀察表面起伏大于1nm的樣品。（a）恒電流模式；（b）恒高度模式掃描模式恒電流模式：適用于觀察表面形貌起伏較大的樣品。（a）STM的儀器構(gòu)造STMInstrumentationSTM由具有減振系統(tǒng)的頭部(含探針和樣品臺(tái))、電子學(xué)控制系統(tǒng)和包括A/D多功能卡的計(jì)算機(jī)組成。?????TipScannerSamplepositionerVibrationisolationControlelectronics Pre-amplifier Feedback

Scancontrol?ComputerandsoftwareSTM的儀器構(gòu)造STMInstrumentationSTM隧道針尖STM技術(shù)中的主要問題。針尖尺寸、形狀及化學(xué)同一性不僅影響分辨率還關(guān)系電子結(jié)構(gòu)測(cè)量。鎢針尖的制備：電化學(xué)腐蝕方法鉑銥合金針尖的制備：1）兩步電化學(xué)腐蝕法；2）機(jī)械成形法；3）剪切法隧道針尖STM技術(shù)中的主要問題。針尖尺寸、形狀及化學(xué)同一性不壓電陶瓷步進(jìn)馬達(dá)掃描控制器壓電現(xiàn)象：某種晶體機(jī)械力—形變——電場(chǎng)——x，y，z掃描控制器件。壓電陶瓷材料：極化處理壓電陶瓷步進(jìn)馬達(dá)掃描控制器壓電現(xiàn)象：某種晶體機(jī)械力—形變——振動(dòng)隔絕系統(tǒng)工作針尖與樣品間距小于1nm，隧道電流與間距成指數(shù)關(guān)系。恒流模式中，表面起伏通常為0.01nm，振動(dòng)引起小于0.001nm。STM減震系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮低頻：1-100HZ防振：1.提高儀器的固有振動(dòng)頻率。

2.使用振動(dòng)阻尼系統(tǒng)。振動(dòng)隔絕系統(tǒng)工作針尖與樣品間距小于1nm，隧道電流與間距成指電子學(xué)控制系統(tǒng)

STM要用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，使探針逼近樣品，進(jìn)入隧道區(qū)，而后要不斷采集隧道電流，在恒電流模式中還要將隧道電流與設(shè)定值相比較，再通過反饋系統(tǒng)控制探針的進(jìn)與退，從而保持隧道電流的穩(wěn)定。所有這些功能，都是通過電子學(xué)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。電子學(xué)控制系統(tǒng)STM要用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)操作與進(jìn)行：一.針尖的制作：二.針尖的安裝：三.實(shí)驗(yàn)設(shè)置：掃描模式、掃描范圍、隧道電流、偏置電壓、反饋電壓、放大、增益。四.逼近隧道區(qū)（隧道電流）五.掃描：觀察圖象、調(diào)整電流、偏壓等。實(shí)驗(yàn)操作與進(jìn)行：一.針尖的制作：電子結(jié)構(gòu)和STM像STM通常被認(rèn)為是測(cè)量表面原子結(jié)構(gòu)的工具，具直接測(cè)量原子間距的分辨率。但必須考慮電子結(jié)構(gòu)的影響，否則容易產(chǎn)生錯(cuò)誤的信息。其實(shí)，在考慮了遂穿過程以及樣品表面與針尖的電子態(tài)的性質(zhì)后，STM代表的應(yīng)該是表面的局部電子結(jié)構(gòu)和遂穿勢(shì)壘的空間變化。電子結(jié)構(gòu)和STM像STM通常被認(rèn)為是測(cè)量表面原子結(jié)構(gòu)的工具，STM應(yīng)用金屬和半導(dǎo)體表面的STM研究：研究表面上發(fā)生的物理與化學(xué)過程。物理現(xiàn)象：晶體生長(zhǎng)過程、表面物質(zhì)沉積過程。表面化學(xué)反應(yīng)。STM應(yīng)用金屬和半導(dǎo)體表面的STM研究：STM圖像的解釋STM圖像反映樣品表面局域電子結(jié)構(gòu)和隧穿勢(shì)壘的空間變化，與表面原子核的位置沒有直接關(guān)系，并不能將觀察到的表面高低起伏簡(jiǎn)單歸納為原子排布結(jié)構(gòu)；針尖電子態(tài)的影響

STM圖像是針尖電子態(tài)與樣品表面局域電子態(tài)的卷積；STM圖像的解釋STM圖像反映樣品表面局域電子結(jié)構(gòu)和隧穿勢(shì)壘組成碳纖維的帶狀細(xì)纖維有螺旋結(jié)構(gòu)的趨向，螺旋伸展方向沿纖維軸向。經(jīng)電化學(xué)腐蝕以后，碳纖維變得較粗糙，同時(shí)在纖維中仍發(fā)現(xiàn)有螺旋結(jié)構(gòu)的細(xì)纖維。可見，這種螺旋結(jié)構(gòu)在碳纖維的表面和內(nèi)部都存在。組成碳纖維的帶狀細(xì)纖維有螺旋結(jié)構(gòu)的趨向，螺旋伸展方向沿纖維軸在HOPG基底上CPU聚合物膜在室溫大氣中的STM圖像?？煽吹?—8個(gè)棒狀分子連在一起形成聚合分子鏈，這些聚合分子鏈在X方向上首尾相壓呈周期性排列。AB樣品表面的高度呈鋸齒形。掃描范圍為42?×42?，Vb=87mV，It=0.53nA在HOPG基底上CPU聚合物膜在室溫大氣中的STM圖像?？煽碨TM像STM像電遷移過程中的表面擴(kuò)散電遷移過程中的表面擴(kuò)散361μm×1μm光柵表面形貌的三維立體圖361μm×1μm光柵表面形貌的三維立體圖37金團(tuán)簇（濺射薄膜）表面形貌三維立體圖37金團(tuán)簇（濺射薄膜）表面形貌三維立體圖38高序石墨樣品的表面原子排列圖38高序石墨樣品的表面原子排列圖39Si(111)-7×7重構(gòu)表面的真空STM圖象39Si(111)-7×7重構(gòu)表面的真空STM圖象40砷化鎵GaAs表面的真空STM圖象40砷化鎵GaAs表面的真空STM圖象STMmanipulationSTMmanipulationFe原子在Cu基板上原子像Fe原子在Cu基板上原子像原子/分子搬運(yùn)CuonCu(111)

AgonAg(111)

Year2000----COonCu(211)原子/分子搬運(yùn)CuonCu(111)Agon中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所的科技人員利用自制的掃描隧道顯微鏡，在石墨表面上刻蝕出來的圖象。圖形的線寬實(shí)際上只有10nm。中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所的科技人員利用自制的掃描隧道顯微鏡，在石44FeonCu(111)44FeonCu(111)45Si(111)surfaceuponirradiationby3keVAr+atadoseof3X1012ions/cm2.(20X20nm2)Si(111)surfaceirradiatedby5keVXe+atadoseof1.5X1013ions/cm2.(40X40nm2)Missinganddisplacingatoms45Si(111)surfaceuponirradiCratersSize—IonEnergySTMimagesofSi(111)surfacesirradiatedwithXeionsat:(a)1keV,(b)3keVand(c)5keV.Theaveragesizeofthetracedoesnotdependontheionenergyrangingfrom1to5keV.

46abcCratersSize—IonEnergySTMima47AnnealedSi(111)surfaceafterXeionirradiation.(3keV,1.2X1012ions/cm2,annealedfor30min).400oC,vacanciesinsubsurfacediffusetowardthesurface.600oC,vacancyclustersareformed.DiffusionofVacancies47AnnealedSi(111)surfaceaftDiffusionofinterstitialsSamearea,650oC,Xe+,1keV.Interstitialatomsdiffuseandrecombinewithsurfacevacancies.thesizeofthevacancyclusterdecreaseswithannealingtime.Forthecase(3keVAr+,3X1012ion/cm2),annealingat750oCfor2min,SisurfacewasrestoredfortheirradiatedSi(111)surface.

2min16minDiffusionofinterstitialsSameDiffusionofvacanciesandinterstitials——CraterSizeshrinkageandexpansion460oC,3keVAr+,1012ions/cm2.(10nmX15nm)[4]26s70s

35s105s44s123sDiffusionofvacanciesandint50Graphite(highlyorientedpyrolytic,HOPG)50Graphite(highlyorientedpy51HOPG51HOPG52Trackdiameter&formationefficiencytrackdiametertrackformationefficiency52Trackdiameter&formatione53STMTopographofQuantumDotGepyramidcontaining~2000GeatomsonSi(100)GedomegrownbyPVDonSi(100)53STMTopographofQuantumDot54STMImagesofNiClustersatDifferentSampleBiasVoltagesNi3onMoS254STMImagesofNiClustersat55GrowthofLeadonCopper55GrowthofLeadonCopper56ChemicalContrastPtCo(100)surface56ChemicalContrastPtCo(100)s57Segregation57Segregation58Non-metals----Salt58Non-metals----Salt59Dislocations59Dislocations60CrystallographyofIronFilms60CrystallographyofIronFilm61Adsorption--AlO2onaluminumsurface61Adsorption--AlO2onaluminum62Adsorption--AgPdoxygenonasilver-palladium(AgPd)alloysurface62Adsorption--AgPdoxygenonaSTM的局限性與發(fā)展1.在恒電流模式下，樣品表面微粒之間的溝槽不能夠準(zhǔn)確探測(cè)。恒高模式下，需采用非常尖銳的探針。2.樣品必須具有一定程度的導(dǎo)電性。STM的局限性與發(fā)展1.在恒電流模式下，樣品表面微粒之間的溝STM基礎(chǔ)上發(fā)展的各種新型顯微鏡原子力顯微鏡（AFM）、激光力顯微鏡（LFM）、摩擦力顯微鏡、磁力顯微鏡（MFM）、靜電力顯微鏡、掃描熱顯微鏡、彈道電子發(fā)射顯微鏡（BEEM）、掃描隧道電位儀（STP）、掃描離子電導(dǎo)顯微鏡（SICM）、掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（SNOM）和掃描超聲顯微鏡等。探索物質(zhì)表面或界面的特性，如表面不同部位的磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)、熱量損失、離子流量、表面摩擦力以及在擴(kuò)大可測(cè)量樣品的范圍等方面提供了有力的工具。STM基礎(chǔ)上發(fā)展的各種新型顯微鏡原子力顯微鏡（AFM）、激光原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscopy,AFM)原子力顯微鏡原子力顯微鏡AFM原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscopy,AFM)1986年，諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者賓尼等人發(fā)明。不僅可觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體表面形貌，且可觀察非導(dǎo)體表面形貌，彌補(bǔ)STM只能觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體不足。許多實(shí)用的材料或感光的樣品不導(dǎo)電，AFM出現(xiàn)引起科學(xué)界普遍重視。第一臺(tái)AFM的橫向分辨率僅為30?，而1987年斯坦福大學(xué)Quate等報(bào)道他們的AFM達(dá)到原子級(jí)分辨率。中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所研制的隧道電流法檢測(cè)、微懸臂運(yùn)動(dòng)AFM于1988年底首次達(dá)到原子級(jí)分辨率。原子力顯微鏡AFM原子力顯微鏡(AtomicForceM原子力顯微鏡AFM跟所有的掃描探針顯微鏡一樣，AFM使用一個(gè)極細(xì)的探針在樣品表面進(jìn)行掃描，探針是位于一懸臂的末端頂部，該懸臂可對(duì)針尖和樣品間的作用力作出反應(yīng)。AFM與STM最大差別在非利用電子隧道效應(yīng)，而利用原子之間的范德華力作用來呈現(xiàn)樣品表面特性。原子力顯微鏡AFM跟所有的掃描探針顯微鏡一樣，AFM使用一個(gè)AFM的優(yōu)點(diǎn)STM的探針是由針尖與樣品之間的隧道電流的變化決定的，STM要求樣品表面能夠?qū)щ?，只能直接觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體的表面結(jié)構(gòu)。對(duì)于非導(dǎo)電的物質(zhì)則要求樣品覆蓋一層導(dǎo)電薄膜，但導(dǎo)電薄膜的粒度和均勻性難以保證，且掩蓋了物質(zhì)表面的細(xì)節(jié)。

原子力顯微鏡利用原子之間的范德華力來呈現(xiàn)樣品的表面特性。因此，AFM除導(dǎo)電樣品外，還能夠觀測(cè)非導(dǎo)電樣品的表面結(jié)構(gòu)，且不需要用導(dǎo)電薄膜覆蓋，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏鼮閺V闊。AFM的優(yōu)點(diǎn)STM的探針是由針尖與樣品之間的1.原子級(jí)的高分辨率AFM的三大特點(diǎn)光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)一般都超不過1000倍;電子顯微鏡的放大倍數(shù)極限為200萬(wàn)倍;而AFM的放大倍數(shù)能高達(dá)10億倍,1.原子級(jí)的高分辨率AFM的三大特點(diǎn)光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)一般2.觀察活的生命樣品

電子顯微鏡的樣品必須進(jìn)行固定、脫水、包埋、切片、染色等一系列處理，因此電子顯微鏡只能觀察死的細(xì)胞或組織的微觀結(jié)構(gòu);

原子力顯微鏡的樣本可以是生理狀態(tài)的各種物質(zhì)，在大氣條件或溶液中都能進(jìn)行，因而只需很少或不需對(duì)樣品作前期處理，這樣，就使AFM能觀察任何活的生命樣品及動(dòng)態(tài)過程。2.觀察活的生命樣品電子顯微鏡的樣品必須進(jìn)行固定、3.加工樣品的力行為

測(cè)試樣品的硬度和彈性等；AFM還能產(chǎn)生和測(cè)量電化學(xué)反應(yīng)。AFM還具有對(duì)標(biāo)本的分子或原子進(jìn)行加工的力行為，例如：可搬移原子，切割染色體，在細(xì)胞膜上打孔等等。3.加工樣品的力行為測(cè)試樣品的硬度和彈性等；AFM原子與原子之間的交互作用力因?yàn)楸舜酥g的距離

的不同而有所不同，其之間的能量表示也會(huì)不同。作用力與距離的關(guān)系

原子與原子之間的交互作用力因?yàn)楸舜酥g的距離

的不同而有所不為原子的直徑為原子之間的距離

蘭納-瓊斯（Lennard–Jones）公式當(dāng)r降低到某程度時(shí)能量為＋E，代表空間中兩原子相當(dāng)接近且能量為正，若假設(shè)r增加到某一程度時(shí)，其能量就會(huì)為－E同時(shí)說明空間中兩個(gè)原子之距離相當(dāng)遠(yuǎn)的且能量為負(fù)值。為原子的直徑為原子之間的距離蘭納-瓊斯（Lennard–在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，使用微小懸臂來感測(cè)針尖與樣品之間的交互作用，這作用力會(huì)使懸臂擺動(dòng)，利用激光將光照射在懸臂的末端，當(dāng)擺動(dòng)形成時(shí)，會(huì)使反射光的位置改變而造成偏移量，此時(shí)激光檢測(cè)器會(huì)記錄此偏移量，也會(huì)把此時(shí)的信號(hào)給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，最后再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現(xiàn)出來。在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，使用微小懸臂來感測(cè)針尖與樣接觸模式(contactmode)非接觸模式(non-contactmode)輕敲模式(tapping/intermittentcontactmode)forcecurve工作模式接觸模式(contactmode)forcecurv

針尖始終向樣品接觸并簡(jiǎn)單地在表面上移動(dòng)，針尖—樣品間的相互作用力是互相接觸原于的電子間存在的庫(kù)侖排斥力，其大小通常為10－8—10－11N。forcecurve工作模式－接觸模式d＜０.０３nm針尖始終向樣品接觸并簡(jiǎn)單地在表面上移動(dòng)，針尖—樣品間優(yōu)點(diǎn)：可產(chǎn)生穩(wěn)定、高分辨圖像。缺點(diǎn)：可能使樣品產(chǎn)生相當(dāng)大的變形，對(duì)柔軟的樣品造成破壞，以及破壞探針，嚴(yán)重影響AFM成像質(zhì)量。工作模式-接觸模式工作模式-接觸模式

相互作用力是范德華吸引力，遠(yuǎn)小于排斥力.

forcecurved:5~20nm振幅：2nm～5nm工作模式-非接觸模式范德華吸引力

微懸臂以共振頻率振蕩，通過控制微懸臂振幅恒定來獲得樣品表面信息的。

forcecurved:5~20nm工作模式-非接觸模式

優(yōu)點(diǎn)：對(duì)樣品無(wú)損傷

缺點(diǎn)：

1）分辨率要比接觸式的低。

2）氣體的表面壓吸附到樣品表面，造成圖像數(shù)據(jù)不穩(wěn)定和對(duì)樣品的破壞。

工作模式-非接觸模式優(yōu)點(diǎn)：對(duì)樣品無(wú)損傷工作模式-非接觸模式

介于接觸模式和非接觸模式之間:

其特點(diǎn)是掃描過程中微懸臂也是振蕩的并具有比非接觸模式更大的振幅(5~100nm)，針尖在振蕩時(shí)間斷地與樣品接觸。

forcecurve振幅：5nm～100nm工作模式-輕敲模式介于接觸模式和非接觸模式之間:forcecu

特點(diǎn)：

1）分辨率幾乎同接觸模式一樣好；

2）接觸非常短暫，因此剪切力引起的對(duì)樣品的破壞幾乎完全消失；工作模式-輕敲模式特點(diǎn)：工作模式-輕敲模式AFM的硬件架構(gòu)：

原子力顯微鏡(AFM)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分三部分：力檢測(cè)部分、位置檢測(cè)部分、反饋系統(tǒng)。AFM的硬件架構(gòu)：原子力顯微鏡(AFM)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分三部分力檢測(cè)部分：在AFM系統(tǒng)中，所要檢測(cè)的力是原子與原子之間的范德華力。所以在本系統(tǒng)中是使用微小懸臂（cantilever）來檢測(cè)原子之間力的變化量。這微小懸臂有一定的規(guī)格，例如：長(zhǎng)度、寬度、彈性系數(shù)以及針尖的形狀，而這些規(guī)格的選擇是依照樣品的特性，以及操作模式的不同，而選擇不同類型的探針。cantilevertip：Φ<10nmlaserCantilever：100—200μm

piezoyzxphotodiode

一般探針由Si或Si3N4制備。表面鍍10-50nm厚的Pt，Cr，Ti，Ir等金屬制成導(dǎo)電探針；鍍上Co，F(xiàn)e等鐵磁性層即制成磁性探針；此外，還有類金剛石和全金剛石探針。力檢測(cè)部分：cantilevertip：Φ<10nmlas位置檢測(cè)部分：在AFM系統(tǒng)中，當(dāng)針尖與樣品之間有了交互作用之后，會(huì)使得懸臂（cantilever）擺動(dòng)，所以當(dāng)激光照射在cantilever的末端時(shí)，其反射光的位置也會(huì)因?yàn)閏antilever擺動(dòng)而有所改變，這就造成偏移量的產(chǎn)生。在整個(gè)系統(tǒng)中是依靠激光光斑位置，檢測(cè)器將偏移量記錄下并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以供控制器作信號(hào)處理。laser

photodiodepiezo-elementprobe位置檢測(cè)部分：laserphotodiodepiezo-

在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，將信號(hào)經(jīng)由激光檢測(cè)器取入之后，在反饋系統(tǒng)中會(huì)將此信號(hào)當(dāng)作反饋信號(hào)，作為內(nèi)部的調(diào)整信號(hào)，并驅(qū)使通常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當(dāng)?shù)囊苿?dòng)，以保持樣品與針尖保持合適的作用力。

反饋系統(tǒng)：

在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，將信號(hào)經(jīng)由激光檢測(cè)器取入在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，使用微小懸臂（cantilever）來感測(cè)針尖與樣品之間的交互作用，測(cè)得作用力。這作用力會(huì)使cantilever擺動(dòng)，再利用激光將光照射在cantilever的末端，當(dāng)擺動(dòng)形成時(shí)，會(huì)使反射光的位置改變而造成偏移量，此時(shí)激光檢測(cè)器會(huì)記錄此偏移量，也會(huì)把此時(shí)的信號(hào)給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，最后再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現(xiàn)出來。原子力顯微鏡（AFM）便是結(jié)合以上三個(gè)部分來將樣品的表面特性呈現(xiàn)出來的：在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，使用微小懸臂（cantilAFM的應(yīng)用AFM可以在大氣、真空、低溫和高溫、不同氣氛以及溶液等各種環(huán)境下工作，且不受樣品導(dǎo)電性質(zhì)的限制，因此已獲得比STM更為廣泛的應(yīng)用。主要用途：1.導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體表面的高分辨成像2.生物樣品、有機(jī)膜的高分辨成像3.表面化學(xué)反應(yīng)研究4.納米加工與操縱………………AFM的應(yīng)用AFM可以在大氣、真空、低溫和高溫、不同氣氛以及用AFM觀察DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)

生物和生命科學(xué)用AFM觀察DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)生物和生命科學(xué)用AFM觀察細(xì)胞生長(zhǎng)

生物和生命科學(xué)用AFM觀察細(xì)胞生長(zhǎng)生物和生命科學(xué)遭瘧疾感染的人體紅血球和藍(lán)藻

遭瘧疾感染的人體紅血球和藍(lán)藻用AFM觀察集成電路的線路刻蝕情況

微電子科學(xué)和技術(shù)用AFM觀察集成電路的線路刻蝕情況微電子科學(xué)和技術(shù)分選和搬運(yùn)分選和搬運(yùn)高分子領(lǐng)域的應(yīng)用高分子領(lǐng)域的應(yīng)用聚合物膜表面形貌與相分離觀察

Kajiyama等人應(yīng)用AFM研究了單分散聚苯乙烯(PS)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混成膜的相分離情況。膜較厚時(shí)(25μｍ),看不到分相。膜厚100nｍ時(shí),可以得到PMMA呈島狀分布在PS中的AFM圖象。聚合物膜表面形貌與相分離觀察Kajiyama等人應(yīng)用聚合物膜表面形貌與相分離觀察對(duì)非晶態(tài)聚合物膜，形貌圖信息較為有限。AFM“相成像”方式(phaseimaging)得到的數(shù)據(jù)與樣品表面硬度和粘彈性有關(guān)，可以觀察相分離。即使在樣品表面相對(duì)“平坦”的情況下，也能較好地反映出聚合物的相分離后，不同類型聚合物的所在區(qū)域。聚合物膜表面形貌與相分離觀察對(duì)非晶態(tài)聚合物膜，形貌圖信息較為高分子結(jié)晶形態(tài)觀察高分子結(jié)晶形態(tài)觀察聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物的苯溶液在ＬＢ膜槽內(nèi)分散,而后在極低的表面壓下(<0.1ｍＮ/ｍ)將分子沉積在新鮮云母表面。非晶態(tài)單鏈高分子結(jié)構(gòu)觀察聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物的苯溶液在ＬＢ膜槽內(nèi)分散掃描探針顯微鏡課件AFM在膜研究中的應(yīng)用1表面整體形態(tài)研究2孔徑(分布),粒度（分布）研究3粗糙度研究AFM在膜研究中的應(yīng)用1表面整體形態(tài)研究2孔徑(分布),1表面整體形態(tài)研究1表面整體形態(tài)研究二氧化錫薄膜二氧化錫薄膜Three-dimensionalTM-AFMimagesofthePVDFmembranes(W0,W3,W5,W7).不同水含量Three-dimensionalTM-AFMimageAFMimageofporousAl2O3template

SEMimageofporousAl2O3template

AFMimageofporousAl2O3temp2孔徑(分布)，粒度（分布）研究2孔徑(分布)，粒度（分布）研究SectionanalysisofTM-AFMimage.SectionanalysisofTM-AFMimaTappingmodeatomicforcemicrographsTappingmodeatomicforcemicr掃描探針顯微鏡課件3粗糙度研究

粗糙度（Surfaceroughness）表示膜表面形態(tài)間的差異，影響著膜的物理和化學(xué)性能、膜表面的污染程度和膜的水通量。3粗糙度研究粗糙度（Surfaceroughness）

膜污染研究-超濾膜或微濾膜

新膜表面三維圖X—1μm/格;Z—50nm/格

污染膜表面三維圖X—1μm/格;Z—2000nm/格膜污染研究-超濾膜或微濾膜新膜表面三維圖掃描探針顯微鏡課件掃描探針顯微鏡課件制樣之關(guān)鍵涂膜的厚度溶液的濃度成膜的條件與基體材料的結(jié)合（云母/玻片/石墨片）膜的干燥制樣之關(guān)鍵涂膜的厚度AFM以分辨率高、制樣要求簡(jiǎn)單、得到的樣品表面信息豐富的特點(diǎn)在各領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。AFM以分辨率高、制樣要求簡(jiǎn)單、得到的樣品表面信息豐如何提高顯微鏡分辨本領(lǐng)，電子透鏡的分辨本領(lǐng)受哪些條件的限制？透射電鏡、掃描電子顯微鏡的工作原理什什么？相對(duì)光學(xué)顯微鏡和透射電子顯微鏡、掃描電鏡各有哪些優(yōu)點(diǎn)？電子探針X射線顯微分析儀有哪些工作模式，能譜儀和譜儀的特點(diǎn)是什么？為什么透射電鏡的樣品要求非常薄，而掃描電鏡無(wú)此要求？電鏡有哪些性質(zhì)，環(huán)境掃描電鏡中“環(huán)境”指什么？高分辨電鏡是否指分辨率高的電鏡？選用電子顯微分析儀時(shí)應(yīng)從哪幾方面考慮？電子探針儀與X射線譜儀從工作原理和應(yīng)用上有哪些區(qū)別？與X射線衍射相比，（尤其透射電鏡中的）電子衍射的特點(diǎn)是什么？簡(jiǎn)述STM與AFM工作原理？如何提高顯微鏡分辨本領(lǐng)，電子透鏡的分辨本領(lǐng)受哪些條件的限制？THANKSTHANKS掃描探針顯微鏡

（ScanningProbeMicroscope，SPM）劉東掃描探針顯微鏡劉東顯微鏡發(fā)展歷史第一代：光學(xué)顯微鏡(1676)第二代：電子顯微鏡(1938)

第三代：掃描探針顯微鏡SPM（1982）顯微鏡發(fā)展歷史第一代：光學(xué)顯微鏡(1676)掃描探針顯微鏡

SPM(ScanningProbeMicroscope)是掃描隧道顯微鏡STM及原子力顯微鏡AFM，激光力顯微鏡LFM，磁力顯微鏡MFM等的統(tǒng)稱，國(guó)際上近年發(fā)展起來的表面分析儀器。控制探針在被檢測(cè)樣品的表面進(jìn)行掃描，同時(shí)記錄下掃描過程中探針尖端和樣品表面的相互作用，就能得到樣品表面的相關(guān)信息。利用這種方法得到被測(cè)樣品表面信息的分辨率取決于控制掃描的定位精度和探針作用尖端的大?。刺结樀募怃J度）。掃描探針顯微鏡SPM(ScanningProbeMicSPM的特點(diǎn)

原子級(jí)高分辨率；實(shí)空間中表面的三維圖像；觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu);可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作;可以得到有關(guān)表面結(jié)構(gòu)的信息，例如表面不同層次的態(tài)密度、表面電子阱、電荷密度波、表面勢(shì)壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等。SPM的特點(diǎn)原子級(jí)高分辨率；SPM分類

名稱檢測(cè)信號(hào)分辨率備注掃描探針顯微鏡SPM掃描隧道顯微鏡STM探針-樣品間的隧道電流0.1nm（原子級(jí)分辨率）

原子力顯微鏡AFM探針－樣品間的原子作用力統(tǒng)稱掃描力顯微鏡SFM橫向力顯微鏡LFM探針－樣品間相對(duì)運(yùn)動(dòng)橫向作用力磁力顯微鏡MFM磁性探針－樣品間的磁力10nm靜電力顯微鏡EFM帶電荷探針－帶電樣品間靜電力1nm近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡SNOM光探針接收到樣品近場(chǎng)的光輻射100nm

SPM分類

名稱檢測(cè)信號(hào)分辨率備注掃掃描隧道顯微鏡STM探針掃描隧道顯微鏡

(scanningtunnelingmicroscope)掃描隧道顯微鏡

(scanningtunnelingm掃描隧道顯微鏡(scanningtunnelingmicroscope)1982年，GerdBinning及其合作者在IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室共同研制成功了第一臺(tái)，因此獲得1986年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。STM是通過檢測(cè)隧道電流來反映樣品表面形貌和結(jié)構(gòu)的。掃描隧道顯微鏡STM掃描隧道顯微鏡(scanningtunnelingmic使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)。在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣闊的前景，被國(guó)際科學(xué)界公認(rèn)為二十世紀(jì)八十年代世界十大科技成就之一。掃描隧道顯微鏡STM出現(xiàn)的意義使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表GerdBinning(IBM)(1947-)HeinrichRohrer(Zurich)(1933-)GerdBinning(IBM)HeinrichRo

美國(guó)商用機(jī)器公司利用STM直接操作原子，成功地在Ni上，按自己的意志安排原子合成IBM

字樣。美國(guó)商用機(jī)器公司利用STM直接操作原子，成功地在高分辨率，分辨率橫向0.1nm、縱向0.01nm；可實(shí)時(shí)地得到在實(shí)空間中表面的三維圖象；可觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)；可在真空、大氣等不同環(huán)境下工作，甚至可將樣品浸在溶液中，其工作溫度可以在mK到1100K范圍，并且探測(cè)過程對(duì)樣品無(wú)損傷；通過針尖與樣品間的電學(xué)和力學(xué)作用，可以進(jìn)行樣品表面的原子操縱或納米加工，構(gòu)造所需的納米結(jié)構(gòu)；配合掃描隧道譜STS可得到有關(guān)表面局域電子結(jié)構(gòu)的信息。STM的優(yōu)點(diǎn)高分辨率，分辨率橫向0.1nm、縱向0.01nm；STM的優(yōu)掃描隧道顯微鏡的原理結(jié)構(gòu)極細(xì)探針與研究物質(zhì)作為兩個(gè)探極。掃描探針一般采用直徑小于1mm的細(xì)金屬絲，如鎢絲、鉑―銥絲等；被觀測(cè)樣品應(yīng)具有一定導(dǎo)電性才可以產(chǎn)生隧道電流。掃描隧道顯微鏡的原理結(jié)構(gòu)極細(xì)探針與研究物質(zhì)作為兩個(gè)探極。掃描對(duì)于經(jīng)典物理學(xué)來說，當(dāng)一個(gè)粒子的動(dòng)能E低于前方勢(shì)壘的高度V0時(shí)，它不可能越過此勢(shì)壘，即透射系數(shù)等于零；而按量子力學(xué)的計(jì)算，在一般情況下，其透射系數(shù)不等于零，也就是說，粒子可以穿過比它能量更高的勢(shì)壘，這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。穿過的概率和距離有關(guān)，距離越近，穿過的幾率越大。當(dāng)兩個(gè)電極相距在幾個(gè)原子大小的范圍時(shí)，電子能從一極到達(dá)另一極，幾率和兩極的間距成指數(shù)反比關(guān)系。1、隧道電流（1）隧道效應(yīng)對(duì)于經(jīng)典物理學(xué)來說，當(dāng)一個(gè)粒子的動(dòng)能E低于前方勢(shì)壘的高度V0掃描隧道顯微鏡（STM）的工作原理是基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。掃描隧道顯微鏡（STM）的工作原理是基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。掃描探針顯微鏡課件T與勢(shì)壘寬度a、能量差（V0－E）以及粒子的質(zhì)量m有著很敏感的依賴關(guān)系，隨著a的增加，T將指數(shù)衰減，因此在宏觀實(shí)驗(yàn)中，很難觀察到粒子隧穿勢(shì)壘的現(xiàn)象。透射系數(shù)T與勢(shì)壘寬度a、能量差（V0－E）以及粒子的質(zhì)量m有著很敏感（2）隧道電流掃描隧道顯微鏡是將原子線度的探針和樣品表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品和針尖的距離非常接近時(shí)（通常小于1nm），在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過兩電極之間的勢(shì)壘流向另一電極，從而形成隧道電流。因此，STM圖像是樣品表面原子幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的綜合效應(yīng)的結(jié)果。（2）隧道電流隧道電流I是針尖的電子波函數(shù)和樣品表面的電子波函數(shù)重疊的量度，與針尖和樣品之間距離S和平均功函數(shù)Φ有關(guān)。Vb是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，Φ[=(Φ1+Φ2)/2]是平均功函數(shù),Φ1和Φ2分別為針尖和樣品的功函數(shù)，A為常數(shù)，在真空條件下約等于1。隧道電流I是針尖的電子波函數(shù)和樣品表面的電子波函數(shù)重疊的量度由上式可知，隧道電流I對(duì)針尖和樣品之間的距離S有著指數(shù)的依賴關(guān)系，距離S每減小0.1nm，隧道電流就增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。如果利用電子反饋線路控制隧道電流恒定不變，當(dāng)針尖在樣品表面掃描時(shí)，探針就會(huì)隨樣品表面高度的變化而上下波動(dòng)，將這種高度的變化記錄下來就得到樣品的表面形貌，這就是STM的工作原理。由上式可知，隧道電流I對(duì)針尖和樣品之間的距離S有著指數(shù)的依賴STM的工作原理示意圖原子尺度針尖被分析樣品樣品與針尖間距STM的工作原理示意圖原子尺度針尖被分析樣品樣品與針尖間距掃描探針顯微鏡課件掃描模式恒電流模式：適用于觀察表面形貌起伏較大的樣品。恒高度模式：掃描速度快，減少噪音等，不能用于觀察表面起伏大于1nm的樣品。（a）恒電流模式；（b）恒高度模式掃描模式恒電流模式：適用于觀察表面形貌起伏較大的樣品。（a）STM的儀器構(gòu)造STMInstrumentationSTM由具有減振系統(tǒng)的頭部(含探針和樣品臺(tái))、電子學(xué)控制系統(tǒng)和包括A/D多功能卡的計(jì)算機(jī)組成。?????TipScannerSamplepositionerVibrationisolationControlelectronics Pre-amplifier Feedback

Scancontrol?ComputerandsoftwareSTM的儀器構(gòu)造STMInstrumentationSTM隧道針尖STM技術(shù)中的主要問題。針尖尺寸、形狀及化學(xué)同一性不僅影響分辨率還關(guān)系電子結(jié)構(gòu)測(cè)量。鎢針尖的制備：電化學(xué)腐蝕方法鉑銥合金針尖的制備：1）兩步電化學(xué)腐蝕法；2）機(jī)械成形法；3）剪切法隧道針尖STM技術(shù)中的主要問題。針尖尺寸、形狀及化學(xué)同一性不壓電陶瓷步進(jìn)馬達(dá)掃描控制器壓電現(xiàn)象：某種晶體機(jī)械力—形變——電場(chǎng)——x，y，z掃描控制器件。壓電陶瓷材料：極化處理壓電陶瓷步進(jìn)馬達(dá)掃描控制器壓電現(xiàn)象：某種晶體機(jī)械力—形變——振動(dòng)隔絕系統(tǒng)工作針尖與樣品間距小于1nm，隧道電流與間距成指數(shù)關(guān)系。恒流模式中，表面起伏通常為0.01nm，振動(dòng)引起小于0.001nm。STM減震系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮低頻：1-100HZ防振：1.提高儀器的固有振動(dòng)頻率。

2.使用振動(dòng)阻尼系統(tǒng)。振動(dòng)隔絕系統(tǒng)工作針尖與樣品間距小于1nm，隧道電流與間距成指電子學(xué)控制系統(tǒng)

STM要用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，使探針逼近樣品，進(jìn)入隧道區(qū)，而后要不斷采集隧道電流，在恒電流模式中還要將隧道電流與設(shè)定值相比較，再通過反饋系統(tǒng)控制探針的進(jìn)與退，從而保持隧道電流的穩(wěn)定。所有這些功能，都是通過電子學(xué)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。電子學(xué)控制系統(tǒng)STM要用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)操作與進(jìn)行：一.針尖的制作：二.針尖的安裝：三.實(shí)驗(yàn)設(shè)置：掃描模式、掃描范圍、隧道電流、偏置電壓、反饋電壓、放大、增益。四.逼近隧道區(qū)（隧道電流）五.掃描：觀察圖象、調(diào)整電流、偏壓等。實(shí)驗(yàn)操作與進(jìn)行：一.針尖的制作：電子結(jié)構(gòu)和STM像STM通常被認(rèn)為是測(cè)量表面原子結(jié)構(gòu)的工具，具直接測(cè)量原子間距的分辨率。但必須考慮電子結(jié)構(gòu)的影響，否則容易產(chǎn)生錯(cuò)誤的信息。其實(shí)，在考慮了遂穿過程以及樣品表面與針尖的電子態(tài)的性質(zhì)后，STM代表的應(yīng)該是表面的局部電子結(jié)構(gòu)和遂穿勢(shì)壘的空間變化。電子結(jié)構(gòu)和STM像STM通常被認(rèn)為是測(cè)量表面原子結(jié)構(gòu)的工具，STM應(yīng)用金屬和半導(dǎo)體表面的STM研究：研究表面上發(fā)生的物理與化學(xué)過程。物理現(xiàn)象：晶體生長(zhǎng)過程、表面物質(zhì)沉積過程。表面化學(xué)反應(yīng)。STM應(yīng)用金屬和半導(dǎo)體表面的STM研究：STM圖像的解釋STM圖像反映樣品表面局域電子結(jié)構(gòu)和隧穿勢(shì)壘的空間變化，與表面原子核的位置沒有直接關(guān)系，并不能將觀察到的表面高低起伏簡(jiǎn)單歸納為原子排布結(jié)構(gòu)；針尖電子態(tài)的影響

STM圖像是針尖電子態(tài)與樣品表面局域電子態(tài)的卷積；STM圖像的解釋STM圖像反映樣品表面局域電子結(jié)構(gòu)和隧穿勢(shì)壘組成碳纖維的帶狀細(xì)纖維有螺旋結(jié)構(gòu)的趨向，螺旋伸展方向沿纖維軸向。經(jīng)電化學(xué)腐蝕以后，碳纖維變得較粗糙，同時(shí)在纖維中仍發(fā)現(xiàn)有螺旋結(jié)構(gòu)的細(xì)纖維?？梢?，這種螺旋結(jié)構(gòu)在碳纖維的表面和內(nèi)部都存在。組成碳纖維的帶狀細(xì)纖維有螺旋結(jié)構(gòu)的趨向，螺旋伸展方向沿纖維軸在HOPG基底上CPU聚合物膜在室溫大氣中的STM圖像?？煽吹?—8個(gè)棒狀分子連在一起形成聚合分子鏈，這些聚合分子鏈在X方向上首尾相壓呈周期性排列。AB樣品表面的高度呈鋸齒形。掃描范圍為42?×42?，Vb=87mV，It=0.53nA在HOPG基底上CPU聚合物膜在室溫大氣中的STM圖像?？煽碨TM像STM像電遷移過程中的表面擴(kuò)散電遷移過程中的表面擴(kuò)散361μm×1μm光柵表面形貌的三維立體圖361μm×1μm光柵表面形貌的三維立體圖37金團(tuán)簇（濺射薄膜）表面形貌三維立體圖37金團(tuán)簇（濺射薄膜）表面形貌三維立體圖38高序石墨樣品的表面原子排列圖38高序石墨樣品的表面原子排列圖39Si(111)-7×7重構(gòu)表面的真空STM圖象39Si(111)-7×7重構(gòu)表面的真空STM圖象40砷化鎵GaAs表面的真空STM圖象40砷化鎵GaAs表面的真空STM圖象STMmanipulationSTMmanipulationFe原子在Cu基板上原子像Fe原子在Cu基板上原子像原子/分子搬運(yùn)CuonCu(111)

AgonAg(111)

Year2000----COonCu(211)原子/分子搬運(yùn)CuonCu(111)Agon中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所的科技人員利用自制的掃描隧道顯微鏡，在石墨表面上刻蝕出來的圖象。圖形的線寬實(shí)際上只有10nm。中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所的科技人員利用自制的掃描隧道顯微鏡，在石44FeonCu(111)44FeonCu(111)45Si(111)surfaceuponirradiationby3keVAr+atadoseof3X1012ions/cm2.(20X20nm2)Si(111)surfaceirradiatedby5keVXe+atadoseof1.5X1013ions/cm2.(40X40nm2)Missinganddisplacingatoms45Si(111)surfaceuponirradiCratersSize—IonEnergySTMimagesofSi(111)surfacesirradiatedwithXeionsat:(a)1keV,(b)3keVand(c)5keV.Theaveragesizeofthetracedoesnotdependontheionenergyrangingfrom1to5keV.

46abcCratersSize—IonEnergySTMima47AnnealedSi(111)surfaceafterXeionirradiation.(3keV,1.2X1012ions/cm2,annealedfor30min).400oC,vacanciesinsubsurfacediffusetowardthesurface.600oC,vacancyclustersareformed.DiffusionofVacancies47AnnealedSi(111)surfaceaftDiffusionofinterstitialsSamearea,650oC,Xe+,1keV.Interstitialatomsdiffuseandrecombinewithsurfacevacancies.thesizeofthevacancyclusterdecreaseswithannealingtime.Forthecase(3keVAr+,3X1012ion/cm2),annealingat750oCfor2min,SisurfacewasrestoredfortheirradiatedSi(111)surface.

2min16minDiffusionofinterstitialsSameDiffusionofvacanciesandinterstitials——CraterSizeshrinkageandexpansion460oC,3keVAr+,1012ions/cm2.(10nmX15nm)[4]26s70s

35s105s44s123sDiffusionofvacanciesandint50Graphite(highlyorientedpyrolytic,HOPG)50Graphite(highlyorientedpy51HOPG51HOPG52Trackdiameter&formationefficiencytrackdiametertrackformationefficiency52Trackdiameter&formatione53STMTopographofQuantumDotGepyramidcontaining~2000GeatomsonSi(100)GedomegrownbyPVDonSi(100)53STMTopographofQuantumDot54STMImagesofNiClustersatDifferentSampleBiasVoltagesNi3onMoS254STMImagesofNiClustersat55GrowthofLeadonCopper55GrowthofLeadonCopper56ChemicalContrastPtCo(100)surface56ChemicalContrastPtCo(100)s57Segregation57Segregation58Non-metals----Salt58Non-metals----Salt59Dislocations59Dislocations60CrystallographyofIronFilms60CrystallographyofIronFilm61Adsorption--AlO2onaluminumsurface61Adsorption--AlO2onaluminum62Adsorption--AgPdoxygenonasilver-palladium(AgPd)alloysurface62Adsorption--AgPdoxygenonaSTM的局限性與發(fā)展1.在恒電流模式下，樣品表面微粒之間的溝槽不能夠準(zhǔn)確探測(cè)。恒高模式下，需采用非常尖銳的探針。2.樣品必須具有一定程度的導(dǎo)電性。STM的局限性與發(fā)展1.在恒電流模式下，樣品表面微粒之間的溝STM基礎(chǔ)上發(fā)展的各種新型顯微鏡原子力顯微鏡（AFM）、激光力顯微鏡（LFM）、摩擦力顯微鏡、磁力顯微鏡（MFM）、靜電力顯微鏡、掃描熱顯微鏡、彈道電子發(fā)射顯微鏡（BEEM）、掃描隧道電位儀（STP）、掃描離子電導(dǎo)顯微鏡（SICM）、掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（SNOM）和掃描超聲顯微鏡等。探索物質(zhì)表面或界面的特性，如表面不同部位的磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)、熱量損失、離子流量、表面摩擦力以及在擴(kuò)大可測(cè)量樣品的范圍等方面提供了有力的工具。STM基礎(chǔ)上發(fā)展的各種新型顯微鏡原子力顯微鏡（AFM）、激光原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscopy,AFM)原子力顯微鏡原子力顯微鏡AFM原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscopy,AFM)1986年，諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者賓尼等人發(fā)明。不僅可觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體表面形貌，且可觀察非導(dǎo)體表面形貌，彌補(bǔ)STM只能觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體不足。許多實(shí)用的材料或感光的樣品不導(dǎo)電，AFM出現(xiàn)引起科學(xué)界普遍重視。第一臺(tái)AFM的橫向分辨率僅為30?，而1987年斯坦福大學(xué)Quate等報(bào)道他們的AFM達(dá)到原子級(jí)分辨率。中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所研制的隧道電流法檢測(cè)、微懸臂運(yùn)動(dòng)AFM于1988年底首次達(dá)到原子級(jí)分辨率。原子力顯微鏡AFM原子力顯微鏡(AtomicForceM原子力顯微鏡AFM跟所有的掃描探針顯微鏡一樣，AFM使用一個(gè)極細(xì)的探針在樣品表面進(jìn)行掃描，探針是位于一懸臂的末端頂部，該懸臂可對(duì)針尖和樣品間的作用力作出反應(yīng)。AFM與STM最大差別在非利用電子隧道效應(yīng)，而利用原子之間的范德華力作用來呈現(xiàn)樣品表面特性。原子力顯微鏡AFM跟所有的掃描探針顯微鏡一樣，AFM使用一個(gè)AFM的優(yōu)點(diǎn)STM的探針是由針尖與樣品之間的隧道電流的變化決定的，STM要求樣品表面能夠?qū)щ?，只能直接觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體的表面結(jié)構(gòu)。對(duì)于非導(dǎo)電的物質(zhì)則要求樣品覆蓋一層導(dǎo)電薄膜，但導(dǎo)電薄膜的粒度和均勻性難以保證，且掩蓋了物質(zhì)表面的細(xì)節(jié)。

原子力顯微鏡利用原子之間的范德華力來呈現(xiàn)樣品的表面特性。因此，AFM除導(dǎo)電樣品外，還能夠觀測(cè)非導(dǎo)電樣品的表面結(jié)構(gòu)，且不需要用導(dǎo)電薄膜覆蓋，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏鼮閺V闊。AFM的優(yōu)點(diǎn)STM的探針是由針尖與樣品之間的1.原子級(jí)的高分辨率AFM的三大特點(diǎn)光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)一般都超不過1000倍;電子顯微鏡的放大倍數(shù)極限為200萬(wàn)倍;而AFM的放大倍數(shù)能高達(dá)10億倍,1.原子級(jí)的高分辨率AFM的三大特點(diǎn)光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)一般2.觀察活的生命樣品

電子顯微鏡的樣品必須進(jìn)行固定、脫水、包埋、切片、染色等一系列處理，因此電子顯微鏡只能觀察死的細(xì)胞或組織的微觀結(jié)構(gòu);

原子力顯微鏡的樣本可以是生理狀態(tài)的各種物質(zhì)，在大氣條件或溶液中都能進(jìn)行，因而只需很少或不需對(duì)樣品作前期處理，這樣，就使AFM能觀察任何活的生命樣品及動(dòng)態(tài)過程。2.觀察活的生命樣品電子顯微鏡的樣品必須進(jìn)行固定、3.加工樣品的力行為

測(cè)試樣品的硬度和彈性等；AFM還能產(chǎn)生和測(cè)量電化學(xué)反應(yīng)。AFM還具有對(duì)標(biāo)本的分子或原子進(jìn)行加工的力行為，例如：可搬移原子，切割染色體，在細(xì)胞膜上打孔等等。3.加工樣品的力行為測(cè)試樣品的硬度和彈性等；AFM原子與原子之間的交互作用力因?yàn)楸舜酥g的距離

的不同而有所不同，其之間的能量表示也會(huì)不同。作用力與距離的關(guān)系

原子與原子之間的交互作用力因?yàn)楸舜酥g的距離

的不同而有所不為原子的直徑為原子之間的距離

蘭納-瓊斯（Lennard–Jones）公式當(dāng)r降低到某程度時(shí)能量為＋E，代表空間中兩原子相當(dāng)接近且能量為正，若假設(shè)r增加到某一程度時(shí)，其能量就會(huì)為－E同時(shí)說明空間中兩個(gè)原子之距離相當(dāng)遠(yuǎn)的且能量為負(fù)值。為原子的直徑為原子之間的距離蘭納-瓊斯（Lennard–在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，使用微小懸臂來感測(cè)針尖與樣品之間的交互作用，這作用力會(huì)使懸臂擺動(dòng)，利用激光將光照射在懸臂的末端，當(dāng)擺動(dòng)形成時(shí)，會(huì)使反射光的位置改變而造成偏移量，此時(shí)激光檢測(cè)器會(huì)記錄此偏移量，也會(huì)把此時(shí)的信號(hào)給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，最后再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現(xiàn)出來。在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，使用微小懸臂來感測(cè)針尖與樣接觸模式(contactmode)非接觸模式(non-contactmode)輕敲模式(tapping/intermittentcontactmode)forcecurve工作模式接觸模式(contactmode)forcecurv

針尖始終向樣品接觸并簡(jiǎn)單地在表面上移動(dòng)，針尖—樣品間的相互作用力是互相接觸原于的電子間存在的庫(kù)侖排斥力，其大小通常為10－8—10－11N。forcecurve工作模式－接觸模式d＜０.０３nm針尖始終向樣品接觸并簡(jiǎn)單地在表面上移動(dòng)，針尖—樣品間優(yōu)點(diǎn)：可產(chǎn)生穩(wěn)定、高分辨圖像。缺點(diǎn)：可能使樣品產(chǎn)生相當(dāng)大的變形，對(duì)柔軟的樣品造成破壞，以及破壞探針，嚴(yán)重影響AFM成像質(zhì)量。工作模式-接觸模式工作模式-接觸模式

相互作用力是范德華吸引力，遠(yuǎn)小于排斥力.

forcecurved:5~20nm振幅：2nm～5nm工作模式-非接觸模式范德華吸引力

微懸臂以共振頻率振蕩，通過控制微懸臂振幅恒定來獲得樣品表面信息的。

forcecurved:5~20nm工作模式-非接觸模式

優(yōu)點(diǎn)：對(duì)樣品無(wú)損傷

缺點(diǎn)：

1）分辨率要比接觸式的低。

2）氣體的表面壓吸附到樣品表面，造成圖像數(shù)據(jù)不穩(wěn)定和對(duì)樣品的破壞。

工作模式-非接觸模式優(yōu)點(diǎn)：對(duì)樣品無(wú)損傷工作模式-非接觸模式

介于接觸模式和非接觸模式之間:

其特點(diǎn)是掃描過程中微懸臂也是振蕩的并具有比非接觸模式更大的振幅(5~100nm)，針尖在振蕩時(shí)間斷地與樣品接觸。

forcecurve振幅：5nm～100nm工作模式-輕敲模式介于接觸模式和非接觸模式之間:forcecu

特點(diǎn)：

1）分辨率幾乎同接觸模式一樣好；

2）接觸非常短暫，因此剪切力引起的對(duì)樣品的破壞幾乎完全消失；工作模式-輕敲模式特點(diǎn)：工作模式-輕敲模式AFM的硬件架構(gòu)：

原子力顯微鏡(AFM)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分三部分：力檢測(cè)部分、位置檢測(cè)部分、反饋系統(tǒng)。AFM的硬件架構(gòu)：原子力顯微鏡(AFM)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分三部分力檢測(cè)部分：在AFM系統(tǒng)中，所要檢測(cè)的力是原子與原子之間的范德華力。所以在本系統(tǒng)中是使用微小懸臂（cantilever）來檢測(cè)原子之間力的變化量。這微小懸臂有一定的規(guī)格，例如：長(zhǎng)度、寬度、彈性系數(shù)以及針尖的形狀，而這些規(guī)格的選擇是依照樣品的特性，以及操作模式的不同，而選擇不同類型的探針。cantilevertip：Φ<10nmlaserCantilever：100—200μm

piezoyzxphotodiode

一般探針由Si或Si3N4制備。表面鍍10-50nm厚的Pt，Cr，Ti，Ir等金屬制成導(dǎo)電探針；鍍上Co，F(xiàn)e等鐵磁性層即制成磁性探針；此外，還有類金剛石和全金剛石探針。力檢測(cè)部分：cantilevertip：Φ<10nmlas位置檢測(cè)部分：在AFM系統(tǒng)中，當(dāng)針尖與樣品之間有了交互作用之后，會(huì)使得懸臂（cantilever）擺動(dòng)，所以當(dāng)激光照射在cantilever的末端時(shí)，其反射光的位置也會(huì)因?yàn)閏antilever擺動(dòng)而