扫描探针显微镜简介

——扫描隧道显微镜和原子力显微镜WuhanUniversity扫描探针显微镜简介2ScanningProbeMicroscope扫描探针显微镜（ScanningProbeMicroscopes简称SPM）通过其顶端粗细只有一个原子大小的探针在非常近的距离上探索物体表面的情况，便可以分辨出其它显微镜所无法分辨的极小尺度上的表面细节与特征。它包括扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）、激光力显微镜（LFM）、磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜以及扫描热显微镜等，是一类完全新型的显微镜。这里主要介绍扫描隧道显微镜和原子力显微镜。第一部分扫描隧道显微镜ScanningTunnelingMicroscope4ScanningTunnelingMicroscope5ScanningTunnelingMicroscope1.恒高模式2.恒流模式6ScanningTunnelingMicroscopeSTM’sprinciple7ScanningTunnelingMicroscope•TunnelingcurrentinscanningtunnelingmicroscopyzktteII20/2mkt8ScanningTunnelingMicroscope•Tunnelingcurrentandnoise9ScanningTunnelingMicroscopeSTM的特点•STM具有的空间分辨率，其横向与纵向分辨率:0.1nm和0.01nm,完全可分辨单个原子。（原子的典型尺寸为0.2～0.3纳米）•STM得到的是实空间直观图象,有利于表面动态过程的实时观测。•STM可得到表面单原子层的局域结构图象，这对于研究局部的表面缺陷、表面重构、表面吸附物质的位置及形貌极其有效。•STM在真空、大气、溶液等环境中都能保持很高的分辨率，从而可以实现近自然条件下对样品表面的观测。这为生物样品的研究提供了新途径。10ScanningTunnelingMicroscopeSTM的特点•STM对样品几乎无损伤，不要求特别的样品制备技术。而且样品需求量很小（毫微克），这为观测珍稀样品提供了便利。•在超高真空条件下，STM不仅可获得表面形貌的图象，还可通过扫描隧道谱（STS）研究表面的电子结构。这对表面物理研究很有用途。•要求观察对象具有一定导电性•多数对象必须在超高真空环境中观察11SPMFamilyTreeNSOMSCMSThMLFMSTMSTSPFMFMMMFMNC-AFM(DFM)C-AFMEFMStandardmodesOptionalmodes第二部分原子力显微镜AtomicForceMicroscope13AtomicForceMicroscope•Tip-sampleforcesFtszVFtsts14AtomicForceMicroscope•Theforcesensor(cantilever)15AtomicForceMicroscope•Theforcesensor(cantilever)–Springconstantk–whereYisYoung’smodulus.Thefundamentaleigenfrequencyf0isgivenby334LYwtkYLtf20162.016AtomicForceMicroscope•Cantilevertips17AtomicForceMicroscope•Measurementofcantileverdeflection18AtomicForceMicroscope•Cantilevertips19AtomicForceMicroscope•OperatingmodesofAFM–StaticatomicforcemicroscopyFts=constant–Dynamicatomicforcemicroscopy20AtomicForceMicroscopeDynamicatomicforcemicroscopy21AtomicForceMicroscope•Dynamicatomicforcemicroscopy在空气的环境下，用压电晶体微悬臂的共振频率或接近这一频率来振荡悬臂，从而实现了轻敲模式的成像原理。当针尖未与表面接触时，压电的运动产生了悬臂大振幅的振荡。振荡的针尖朝向样品表面运动直到针尖开始轻轻地接触到样品或敲击到表面。微悬臂的振荡就会由于针尖与表面接触引起的能量的损失而必然地下降。这种振幅交替下降用于检测并测量表面形貌。检测器测量到这些交替变化的振幅值,再通过反馈回路,调整针尖与样品之间的距离，保证振幅恒定在某一个恒定值,这样针尖在扫描过程中的运动轨迹就反映了样品的表面形貌。22AtomicForceMicroscope•AFMcharacteristic（一）在大气中，原子力显微镜同样具有原子级的分辨率。（二）原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了STM的不足。（三）可以进行样品高度方向的测定。金属，半导体以及陶瓷，有机物，高分子。生物体样品等无需进行镀导电膜等前处理，可以在大气中进行高分辨率的观察，得到从数千倍到数百万倍高放大倍数的样品表面凹凸像。样品高度方向的分辨率也很高，可以进行材料表面粗糙度的精密测定。第三部分探针显微镜的应用ApplicationofSPM24ApplicationofSPM•Semiconductors•DataStorage&MagneticMaterials•Biotechnology&LifeSciences•Plastics&Polymers•Materials&SurfaceCharacterizations•WideRangeofApplications25ApplicationofSPM高序热解石墨原子图像26ApplicationofSPMAnimageoftheSi(111)7×7reconstruction27ApplicationofSPM云母的原子力像28ApplicationofSPM•光栅AFM图象29ApplicationofSPM•应用领域广泛Al2O3表面的AFM图30ApplicationofSPM•应用领域广泛31ApplicationofSPM•应用领域广泛32ApplicationofSPM•应用领域广泛33ApplicationofSPM•应用领域广泛34ApplicationofSPM•应用领域广泛Co薄膜的AFM观察35ApplicationofSPM•应用领域广泛36ApplicationofSPM•可用于原子分子的搬运DNA分子拉成的DNA图像37ApplicationofSPM•可以用于纳米刻蚀