探针显微镜简述

题目扫描探针显微镜简述——以扫描隧道显微镜为典型姓名学号专业所在学院信电学院电子邮箱扫描探针显微镜简述------以扫描隧道显微镜为典型摘要：扫描探针显微镜（SPM）是所有机械式地用探针在样本上扫描移动以探测样本影像的显微镜的统称。由于均是基于探针在被测试样表面上进行纵、横向扫描引起相关检测量变化的原理，因此而得名。扫描探针显微镜包括磁力显微镜（MagneticForceMicroscope，MFM），近场光学显微镜（ScanningNearFieldOpticalMicroscope，SNOM），原子力显微镜（AtomicForceMicroscope，AFM）等。其影像分辨率主要取决于探针的大小（通常在纳米级别）。其中，最具代表性的是扫描隧道显微镜（STM）及原子力显微镜（AFM）。关键词：扫描探针显微镜(SPM)扫描隧道显微镜(STM)原子力显微镜（AFM）一．扫描探针显微镜历史扫描探针显微镜（SPM）是近几十年在表面特征表面形貌观测方面最重大的成果之一。1966年RussellYoung提出可以利用金属探针与样品之间的微弱电流来对样品的表面形貌进行表征，并在1971年联名他的合作者在《物理评论快报》上提出了这种探针式表面测量仪，测量仪的基本原理是通过探针与样品之间的电流大小来体现探针与样品之间的间距。在之后的1972年，Young给出了探测仪的具体结构与应用实例，这是扫描探测显微镜的雏形。1978年，苏黎世研究所的两位物理学家系统论证了扫描隧道显微镜，并于1981年把实体研制成功，观察到了Si（111）的表面原子结构。这个表面物理探测器的工作原理是量子隧穿效应。当金属探针与样品之间的距离只有几纳米的时候，会产生隧穿电流，而这个隧穿电流对于距离十分敏感，当距离变化0.1纳米时隧穿电流会发生量级的变化。借助这个效应，扫描隧道显微镜的垂直分辨率高达0.01nm，放大倍数达到了几亿倍。借此，人类第一次得到了原子图像，对于其周边学科有着里程碑式的意义。其研发者G.Binning和H.Rohrer也由此获得了1986年的诺贝尔物理学奖。由探针及金属表面电流来探测其间距等情况这个原理制作的显微镜虽然放大倍数极高，但是有着物理性的局限性，这类显微镜要求被测的样品必须是导电的导体或者半导体，对于绝缘的被测样品则没有实际的应用。由此，1984年，苏黎世研究所利用实心石英棒制成的纳米透光小孔研制出了扫描近场光学显微镜，第一次突破了传统光学显微镜的衍射极限，分辨率达到光波长的二十分之一。而在1985年，G.Binning、C.F.Qoate和Ch.Gerber在STM的理论基础上研制出了第一台原子力显微镜（AFM）。AFM的原理是将探针装在对力敏感的微悬臂上，探针靠近样品时，其针头上的原子与样品原子之间产生诸如范德华力、静电力、磁力之类的相互作用力，通过检测微悬臂的形变量来检测样品表面的原子排布信息。借用AFM人类也第一次测到了绝缘体的原子分辨率图像。随后，力调制显微镜(FMW)、相位检测显微镜（(PDM)、电容扫描显微镜(SCM)等相继问世，内容不断扩大，精度稳定性不断提高，直到现在，已渗透至电子技术、生物技术、基因工程各方面，在生命科学、信息科学、材料科学等相关领域做出了极大贡献。二．探针扫描显微镜的主要理论基础2.1扫描隧道显微镜（STM）的理论基础STM的成像是基于隧道效应及相关理论。金属表面的自由电子具有穿透势垒的概率。若导体内存在大量的电子，则总有少部分会穿过导体，挣脱表面电势的束缚从而在导体表面形成电子云。当探针尖端与样品之间的距离足够短时，二者游离在外部的自由电子云会重叠，这时在两者之间施加一偏置电压时，会形成偏置电流。在经典力学中，电子具有的能量E可表示为：由公式可见：只有当电子的能量大于其势能时电子才有一个不为零的动量，即电子不可能穿过高于其能量的势垒。而在量子力学当中，电子由波函数的表示如下：在势垒内，由薛定谔方程可解得：在势垒外，可解得：其中k为衰减常数。由此可见，电子可以穿过比其能量高的势垒。且能量不变时，电子出现的概率随着势垒的宽度以e的指数减少。势垒内部，电子的波函数有衰减（势垒外部无衰减）。具体可见下图：由图可得，电子的波函数在E＞V(r)时有不为零的有效解。电子并未完全包含在导电的物体中，且在导体的表面约1nm内有分布。电子出现的概率随着远离导体表面的距离呈指数式衰减。当金属探针接近样品表面且距离足够近时，两者的电子云出现重叠，在其间施加电压的话二者间的电子云会产生运动产生电流，这个电流即为隧穿电流。A.John和Jr.Cowan利用量子学理论，推导出隧穿电流、探头与样品间距离及施加的电压满足如下关系式：其中，I为隧穿电流，Vb为施加在探针头与样品间的电压，d为探针与样品的距离。A为一常数，A会随着外界环境的温度、压强等变化而有不同。根号内内容为探针与样品的平均功函数。2.2原子力显微镜（AFM）AFM是利用在不导电的探针和样品之间存在的与样品表面起伏所对应的原子力来调制显示器的灰度。其设计思想为：将探针装在对力敏感的弹力臂端头上，探针靠近样品时，其针头上的原子与样品原子之间会产生各种不同的相互作用力。一般来说，间隙缩小时，会产生范德瓦尔斯吸力，引力增大。继续缩小间隙时，探针针头及样品表面的电子则会产生静电斥力。静电斥力的增长速度比范德瓦尔斯吸引力更高。此后，可以通过检测微悬臂的形变量来检测样品表面的原子排布信息。探针尖与样品之间的斥力可表示为：其中r=针尖头与样品之间的最小距离，A、B、m、n是常数。三．扫描探针显微镜基本结构及工作模式——以STM为例扫描探针显微镜的基本原理如上图：扫描探针显微镜由机械部分及电子部分组成：机械部分由步进器、扫描头和显微镜腔组成；电子部分由控制采集电路和成像系统构成。步进器控制金属钨或铂铱合金探针到样品的距离，扫描头带动探针探测样品表面情况，探测到的信号由采集电路收集、放大并反馈到成像系统。STM存在两种模式：恒流模式及恒高模式。处于恒流模式时，扫描头通过控制偏置电压来控制针头与样品表面的距离，从而保证针头与样品之间的偏置电流保持不变。而控制系统则会记下压变陶瓷的伸缩变化，从而获得样品的表面信息。而处于恒高模式时，显微镜的反馈系统不会运作，扫描头不会上下移动，所以此时STM会以更快的速度工作。恒高模式一般运作在样品表面可达到原子级别光滑时。四．扫描探针显微镜的特点——以STM和AFM作比较扫描探针显微镜是除了场离子显微镜和高分辨率透射电子显微镜之后的第三种以原子尺度观察物质结构的显微镜。以STM为例，其横向分辨率为0.1~0.2nm，纵向深度分辨率则为0.01nm，这样的分辨率可以清楚地观测到分布在样品表面的单个原子或分子。同时，SPM还可以在空气，其他气体或液体环境下进行观察研究。扫描探针显微镜拥有原子分辨、原子搬运、纳米微加工等特点，但是由于细部各种扫描显微镜的工作原理不同，它们得到的结果所反映的样品表面信息是很不同的。STM测量的是样品表面的电子台分布信息，具有原子级别的分辨率但仍得不到样品的真结构。而原子显微镜探测的是原子之间的相互作用信息，因此可以得到样品表面原子分布的排列信息即样品的真实结构。但另一方面，AFM测不到可以和理论比较的电子态信息，因此二者各有短长。五．扫描探针显微镜的局限及未来发展扫描探针显微镜发展至今已大体成熟，但是仍有许多有待完善的地方。例如移动样品时，对样品进行扫描检测的面积并不大，样品在较大范围移动时测量的进度不是很高等。同时，SPM的发展时间并不是很长，因此缺少了相关的方法标准和操作规范。1.探针针尖探针针尖的工艺研究探针的针尖对于扫描探针显微镜的分辨率十分重要。好的针尖设计不仅能提高其分辨率，对于整体的显微镜使用寿命的提高也起着很重要的作用。2.提高获得样品表面图像的时间由于SPM是集扫描、数据收集、数据处理、计算、模拟为一体的结构，因此从开始扫描到最终获得图像的时间是比较长的，未来可能会提高其显示成像的时间。3.偏置电压的控制在SPM内，电压过高电场强度增大，可以增强原子迁移，然后场强过大时，针尖与样品之间会产生复杂的化学反应，影响观察效果同时导致原子操纵过程变得复杂。4.从图像中去处仪器震荡影响探针尖端的轨迹最终实际是样品表面起伏轮廓与超出电子学反馈系统的附加扰动的叠加。程序本身从数据开始逆过程反映出样品表面的情况这一过程是很难综合考虑扰动情况的。因此从扰动本身出发尽量消除震动情况是很需要的。5.接触面的接触距离好的接触距离可以提高显微镜的分辨率，然而当接触距离达到某个值时，接触面处的原子会有突变，对于测量结果有很大的影响。文献参考：《扫描探针显微镜系列及其应用综述》田文超贾建援《扫描探针显微镜原理及其应用》占左玲刘世国徐平《扫描探针显微镜在粗糙度纳米尺寸表面形貌观测方面的应用》游俊富《扫描探针显微镜》姚王非《扫描探针显微镜在材料表征的应用》褚宏祥《高稳定扫描隧道显微镜的研制与应用》王琦《扫描探针电子显微镜综述》朱弋阮兴云徐志荣杨德清《扫描探针显微镜》姚诽叶声华胡小唐《扫描探针显微镜成像系统研究与图像分析》张琨