第八章--扫描探针显微镜ppt

第八章扫描探针显微镜王夏琴Tel:67792836E-mail:[e-mail]材料大楼C372近代测试技术主要内容扫描探针显微镜的产生扫描探针显微镜的原理与特点扫描探针显微镜的应用存在的问题及其展望我校SPM简介扫描探针显微镜产生的必然性1932年电子显微镜RuskaKnoll透射电子显微镜扫描电子显微镜场电子显微镜场离子显微镜低能电子衍射光电子能谱电子探针表面结构分析仪器的局限性扫描探针显微镜产生的必然性低能电子衍射和X射线衍射光学显微镜和扫描电子显微镜高分辨透射电子显微镜场电子显微镜和场离子显微镜X射线光电子能谱样品具有周期性结构不足分辨出表面原子用于薄层样品的体相和界面研究只能探测在半径小于100nm的针尖上的原子结构和二维几何性质，且制样技术复杂只能提供空间平均的电子结构信息纳米科技突飞猛进的发展扫描探针显微镜的产生的必然性Dendrimer-likeGoldNanoparticle[3]BiomolecularRecognitiononVerticallyAlignedCarbonNanofibers[1]ε-Conanocrystalscoatedbyamonolayerofpoly(acrylicacid)-block-polystyrene[2]DNATranslocationinInorganicNanotubes[4]Diameter-DependentGrowthDirectionofEpitaxialSiliconNanowires[5]SPM(scanningprobemicroscope)发展史1981年IBM公司G.Binning和H.Rohrer发明了扫描隧道显微镜(STM)，1986年获诺贝尔物理奖。STM使人类第一次跨入原子世界，直接观察物质表面的单个原子。1985年G.Binning在STM的基础上发明原子力显微镜（AFM）随后又相继发明了力调制显微镜(FMM)相位检测显微镜(PDM)静电子显微镜(EFM)电容扫描显微镜(SCM)热扫描显微镜(SThM)近场光隧道扫描显微镜(SNOM)等等SPM重要意义：SPM可操纵单原子、单分子技术，能使人类从目前的微米尺度对材料的加工跨入到纳米尺度、原子尺度，完成单分子、单原子、单电子器件的制作，也可移动原子，构造纳米结构SPM重要意义早在1959年美国著名物理学家，诺贝尔奖金获得者费曼就设想：“如果有朝一日，人们能把百科全书存储在一个针尖大小的空间内，并能移动原子，那将给科学带来什么？”这正是对于纳米科技的预言，也就是人们常说的小尺寸大世界。扫描探针显微镜的组成人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广阔的应用前景，被国际科学界公认为八十年代世界十大科技成就之一。原子、分子操纵示意图SPM对原子的操纵是一新热点1990年，美国圣荷塞IBM阿尔马登研究所D.M.Eigler等人在超真空环境中，用35个Xe原子排成IBM三个字母，每个字母高5nm，Xe原子间的最短距离为1nm。1992年又成功移动了吸附在Pt表面上的CO原子。1993年成功移动48颗Fe原子排列成圆形，实现原子操纵技术。科学家把碳60分子每十个一组放在铜的表面组成了世界上最小的算盘。中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出世界上最小的中国地图。扫描探针显微镜的基本原理当探针与样品表面间距小到纳米级时，按照近代量子力学的观点，由于探针尖端的原子和样品表面的原子具有特殊的作用力，并且该作用力随着距离的变化非常显著。当探针在样品表面来回扫描的过程中，顺着样品表面的形状而上下移动。独特的反馈系统始终保持探针的力和高度恒定，一束激光从悬臂梁上反射到感知器，这样就能实时给出高度的偏移值。样品表面就能记录下来，最终构建出三维的表面图[6]。基于探针在被测试样表面进行纵、横向扫描引起相关检测量变化SPM基本原理示意图扫描隧道显微镜（STM）原理原子力显微镜（AFM）原理力调制显微镜（FMM）原理相位检测显微镜(PDM)原理其他几种SPM原理静电子显微镜（EFM，非接触型）：探针和试样表面间形成的静电力随扫描区域电荷密度的差异而变化，因此通过测定悬臂梁的振幅变化可得到试样表面的电荷分布。电荷探针电容扫描显微镜（SCM，接触型）：探针和试样表面间的介电常数随扫描区域的不同而变化，从而导致接触面处电容的变化，因此通过测定变化的电容，可得到试样表面的介电常数分布。其他几种SPM原理热扫描显微镜（SThM，非接触型)：悬臂梁有热膨胀系数较大的材料制成。探针扫描时，由于试样面上不同的热量分布，导致悬臂梁变形量的不同，通过测定悬臂梁的振幅变化可得到试样表面热量的分布。近场光隧道扫描显微镜（SNOM）：探针被固定，试样面利用压电技术进行扫描，可测几纳米的近场，分辨率：5～20nm。扫描探针显微镜的特点1.分辨率高HM：高分辨光学显微镜；PCM：相反差显微镜；SEM：扫描电子显微镜；TEM：透射电子显微镜；FIM：场离子显微镜；REM：反射电子显微镜横向分辨率可达0.1nm纵向分辨率可达0.01nm2、可实时地空得到实时间中表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构研究。应用：可用于表面扩散等动态过程的研究。扫描探针显微镜的特点3、可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整个表面的平均性质。应用：可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。4、可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其它溶液中，不需要特别制样技术，并且探测过程对样品无损伤。应用：适用于研究生物样品和在不同试验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超导机制、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。扫描探针显微镜的特点5、配合扫描隧道谱，可以得到有关表面结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。6、在技术本身，SPM具有的设备相对简单、体积小、价格便宜、对安装环境要求较低、对样品无特殊要求、制样容易、检测快捷、操作简便等特点，同时SPM的日常维护和运行费用也十分低廉。扫描探针显微镜的特点分辨率工作环境样品环境温度对样品破坏程度检测深度扫描探针显微镜原子级(0.1nm)实环境、大气、溶液、真空室温或低温无100μm量级透射电镜点分辨(0.3~0.5nm)晶格分辨(0.1~0.2nm)高真空室温小接近SEM,但实际上为样品厚度所限，一般小于100nm.扫描电镜6~10nm高真空室温小10mm(10倍时)1μm(10000倍时)场离子显微镜原子级超高真空30~80K有原子厚度相较于其它显微镜技术的各项性能指标比较扫描探针显微镜正在迅速地被应用于科学研究的许多领域，如纳米技术，催化新材料，生命科学，半导体科学等，并且取得了许多重大的科研成果扫描探针显微镜的应用扫描探针显微镜的应用呈现原子或分子的表面特性氧化锌薄膜的AFM图(单位：nm)氧化锌颗粒的颗粒比例图（a）和粒度分布图（b）扫描探针显微镜的应用呈现原子或分子的表面特性乳胶薄膜的AFM图(A)和三维立体图(B)(单位:nm)AB有严重缺陷(A)和较为完美(B)的高分子镀膜（单位:nm)ABa)STMimageoftheshort-rangeorderingofhead-to-tailcoupledpoly(3-dodecylthiophene)onhighlyorientedpyrolyticgraphite(20×20nm);b)calculatedmodelofpoly(3-dodecylthiophene)correspondingtotheareaenclosedinthewhitesquarein(a);c)three-dimensionalimageshowingsubmolecularresolvedchainsandfolds(9.3×9.3nm2)[7]扫描探针显微镜的应用呈现原子或分子的表面特性扫描探针显微镜的应用用于研究物质的动力学过程(a-c)Time-sequencedconstant-current(heightmode)STMimagesshowingthenucleationandgrowthofbenzenethiol(BT)moleculesatPt(Ⅱ)potentiostatedat0.15Vin0.1MHClO4[8]..扫描探针显微镜的应用用于研究物质的动力学过程ContinuousAFMheightimagesofmelt-crystallizedpoly[(R)-3-hydroxybutyricacid](PH3B)thinfilmbefore(A)andduring(B-F)enzymaticdegradationbyPHBdepolymerasefromRalstoniapickettiiT1at20℃[9]检测材料的性能扫描探针显微镜的应用SchematicsoftheAFMexperiment.(a)TheAFMtipisbroughtintocontactwiththegraphiticaggregatelayeronthesurfaceofthesiliconsubstrate.(b)Duringtheapproachperiod,severalgraphiticaggregatesmaybecomeattachedtothetipthroughanetworkstructureandbestretchedduringthetipretraction.[10]扫描探针显微镜的应用检测材料的性能a)STMimageofaSWCNTend(I=300pA,Vsample=546mV,45nm×319nm).b)scanningtunnelingspectroscopy(STS)dataontheleft-handsideofthedottedlinein(a).C)STSdataontheright-handsideofthedottedlinein(a).d)SimultaneouslyrecordedspatiallyresolvedSTSimage,Vstab=546mV,Istab=5300pAandVmod=510mV.[11]扫描探针显微镜的应用SFMimagesofdouble-strandedDNA(dsDNA)adsorbedonagraphitesurfacemodifiedwithCH3(CH2)11NH2molecules.Manipulationwasperformedbybringingthetipincontactwiththesurfaceandmovingitinthedesireddirection,usinghomemademanipulationhardwireandsoftwire;(a)ds-plasmidDNAmoleculesasdeposited;(b)afterstretchingtwoofthemalongthearrows’(c)aftermanipulationofthesamemoleculesintotriangles;(d)seven-letterwordwrittenwithapolydispersesampleoflineardsDNA;(e)magnifiedviewofthesquaremarkedin(b);(f)magnifiedviewofthesquaremarkedin(c)[12].通过显微镜探针可以操纵和移动单个原子或分子扫描探针显微镜的其它应用微米纳米结构表征，粗糙度，摩擦力，高度分布，自相关评估，软性材料的弹性和硬度测试高分辨定量结构分析以及掺杂浓度的分布等各种材料特性失效分析:缺陷识别，电性测量（甚至可穿过钝化层）和键合电极的摩擦特性生物应