扫描探针

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扫描探针显微技术(SPM)

虽然STM图像不能简单地归结为原子的空间排布，对STM图像的解释，通过量子化学的理论计算，并结合表面分析技术（如AES、XPS等）结合起来，综合分析，数据间相互印证等方法综合运用。

STM对工作环境要求较宽松，在大气、真空、溶液、高温、低温等条件下均可，对各种不同状态的表面化学研究十分便利。例如，研究原位表面的化学反应，表面吸附、表面催化、电化学腐蚀等。在Si(001)表面上 SiH3→SiH2（吸附）+H（吸附）

iii 光学检测法光学检测法中常用干涉法和光束偏转法两种。光学干涉法的原理类似于迈克尔逊干涉仪，用两束正交的偏振光，分别探测微悬臂的固定端和针尖，经过微悬臂反射后，两束光发生干涉，干涉光相位移动的大小与微悬臂形变量△Z有关。在扫描过程中，通过反馈电路调整相位移恒定，就可以得到表面形貌图像，分辩率在z方向为0.001nm。
三代显微镜的观察范围及典型物体
扫描探针显微镜的特点
相较于其它显微镜技术的各项性能指标比较
分辨率扫描探针显微镜透射电镜工作环境样品环境实环境、大气、溶液、真空温度室温或低温对样品破坏程度无检测深度
原子级(0.1nm) 点分辨 (0.3~0.5nm) 晶格分辨 (0.1~0.2nm)

金属中的自由电子具有波动性，当电子波（ψ）向表面传播遇到边界时，一部分被反射（ψR），而另一部分则可透过边界（ψT），从而在其表面形成电子云，电子云的密度随距表面的距离成指数衰减。当两金属靠得很近时，表面的电子云可以相互渗透，即金属1的透射波ψT1与金属2的透射波ψT2相互重叠，在两金属间形成电流，这一现象被称为隧道效应，由此产生的电流为隧道电流。隧道效应是粒子波动性体现，是一种典型的量子效应。此时，如果在两金属或半导体上施加电压，则电子定向流动，形成隧道电流。

第10章扫描探针显微镜

STM工作原理说明 STM工作原理说明
• 对于如此微小的扫描移动和精确的距离控制，对于如此微小的扫描移动和精确的距离控制， STM的实现方法依靠压电陶瓷。压电陶瓷是一种 STM的实现方法—依靠压电陶瓷。的实现方法依靠压电陶瓷性能奇特的材料，性能奇特的材料，当在压电陶瓷对称的两个端面加上电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。而伸长或缩短的尺寸与所加的电压的大小呈线形关系。长或缩短的尺寸与所加的电压的大小呈线形关系。既可以通过改变电压来控制压电陶瓷的微小伸缩。可以通过改变电压来控制压电陶瓷的微小伸缩。把三个分别代表X，Y，Z方向的压电陶瓷块组成三角架的个分别代表X 形状。通过控制X 形状。通过控制X，Y方向伸缩达到驱动探针在样品表面扫描的目的；表面扫描的目的；通过控制 Z 方向压电陶瓷的伸缩达到控制探针与样品之间距离的目的。达到控制探针与样品之间距离的目的。
扫描探针显微镜家族成员
显微镜名称扫描隧道顕微鏡 STM:Scanning Tunneling Microscopy 原子力顕微鏡 AFM:Atomic Force Microscopy 近接場光学顕微鏡 NSOM:Near-field Scanning Optical Microscopy 磁力顕微鏡 MFM:Magnetic Force Microscopy 摩擦力顕微鏡 FFM:Friction Force Microscopy 检测的物理量隧道电流原子力近接場光磁力摩擦力
STM工作原理说明 STM工作原理说明
• STM探针的尖端是非常尖锐的，通常 STM探针的尖端是非常尖锐的探针的尖端是非常尖锐的，只有一两个原子。只有一两个原子。因为只有原子级锐度的针尖才能得到原子级分辨率的图象，针尖才能得到原子级分辨率的图象，STM 探针通常是用电化学的方法制作的。探针通常是用电化学的方法制作的。也有人用剪切的简单方法得到尖锐的针尖。人用剪切的简单方法得到尖锐的针尖。

afm的工作原理

afm的工作原理AFM的工作原理一、引言原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种高分辨率的表面形貌观测仪器，可以实现纳米级别的表面形貌测量和成像。

它是由美国物理学家贝特·戴维德（Binnig Gerd）和海因里希·罗尔夫（Rohrer Heinrich）于1986年发明的。

AFM采用扫描探针技术，通过探针与样品表面之间的相互作用力来获取样品表面形貌信息。

二、扫描探针AFM中最重要的部件是扫描探针。

扫描探针通常由硅或硅化物制成，具有尖端结构。

扫描探针可以通过悬臂梁固定在仪器上，并且可以在x、y、z三个方向上移动。

三、扫描方式AFM采用扫描方式进行成像。

在扫描过程中，探头被放置在样品表面上，并沿着x和y方向进行移动，同时z方向保持不变。

当探头接近样品表面时，会出现范德华力或静电斥力等相互作用力，这些力会导致探针的弯曲或振动。

AFM通过测量探针的弯曲或振动来获取样品表面形貌信息。

四、力-距离曲线在扫描过程中，AFM通过记录扫描探针受到的相互作用力和距离之间的关系，得到力-距离曲线。

力-距离曲线可以反映出样品表面形貌信息。

当扫描探针接近样品表面时，会出现范德华力或静电斥力等相互作用力，这些力会导致探针的弯曲或振动。

AFM通过测量探针的弯曲或振动来获取样品表面形貌信息。

五、成像方式在得到了力-距离曲线之后，AFM可以通过计算机处理数据来生成样品表面形貌图像。

AFM有两种成像方式：接触模式和非接触模式。

1. 接触模式接触模式是最常用的成像方式之一。

在接触模式下，扫描探头与样品表面保持接触状态，并且在z方向上施加一个微小的压力（通常为纳牛顿级别）。

此时，扫描探头会不断地在样品表面上移动，并且记录下力-距离曲线。

通过对这些数据进行处理，可以生成样品表面形貌图像。

2. 非接触模式非接触模式是另一种常用的成像方式。

在非接触模式下，扫描探头与样品表面之间的相互作用力很小，通常为飞秒牛顿级别。

扫描探针显微技术(spm)

生物医学应用
SPM在生物医学领域的应用将进一步拓展，如细胞形态学、生物分子结构和功能研究等。
实现多模式、多功能集成
多模式集成
将多种SPM模式（如隧道电流、力曲线、扫描隧道谱等）集成在同一台仪器上，实现更全面的分析。
多功能集成
将SPM与其他分析技术（如光谱学、质谱学等）集成，实现更全面的材料和生物样品分
在生物学中的应用
细胞形态学研究
利用SPM技术可以观察细胞表面形态和微观结构，研究细胞生长、发育和疾病发生机制。
生物分子相互作用
SPM技术可以用于研究生物分子之间的相互作用，例如蛋白质与 DNA、蛋白质与蛋白质之间的相互作用。
生物传感器
利用SPM技术可以制备高灵敏度的生物传感器，用于检测生物分子和细胞活性。
03 SPM的工作模式
接触模式
总结词
在接触模式下，探针与样品表面直接接触进行扫描。
详细描述
在接触模式下，探针的尖端与样品表面紧密接触，通过探针的垂直运动来扫描样品表面。这种模式可以提供高分辨率和高对比度的图像，适用于硬质和脆性样品。
非接触模式
总结词
非接触模式中，探针与样品表面保持一定距离，避免直接接触。
在表面科学中的应用
表面形貌分析
SPM技术可以对材料表面进行高精度的形貌分析，研究表面粗糙度、晶面取向等特性。
表面化学分析
结合其他分析手段，SPM技术可以用于研究表面化学组成和元素分布。
表面改性
通过SPM技术可以对材料表面进行改性，例如在金属表面形成硬质涂层、在玻璃表面制备防雾涂层等。
05 SPM的未来发展
宾宁和罗雷尔因此获得了诺贝尔物理学奖。
原子力显微镜（AFM）问世，由IBM苏黎世研究实验室的伊瓦尔·冈萨雷斯（Ivar Giaever）发明。

原子力显微镜工作原理

原子力显微镜工作原理原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是一种高分辨率的显微镜技术，能够观测并操控物质的微观结构和表面形貌。

它的工作原理基于原子与物质表面之间的相互作用力。

本文将介绍原子力显微镜的工作原理及其相关知识。

一、原子力显微镜的构成原子力显微镜主要包括扫描探针、力传感器、瞬时力回馈系统、图像处理与显示系统等组成。

1. 扫描探针：扫描探针是原子力显微镜的核心部件之一。

它一般由硅或硅的掺杂物制成，具有非常尖锐的尖端。

探针通过控制系统被带动进行扫描，同时可以感受到样品表面的微小力作用。

2. 力传感器：力传感器用于测量样品表面与探针之间的相互作用力。

常见的力传感器有光纤光栅传感器和压电传感器等。

当探针扫描样品表面时，受到的力会在传感器上引起微小的形变，通过测量形变量来得到相互作用力的信息。

3. 瞬时力回馈系统：瞬时力回馈系统用于保持探针与样品表面之间的相互作用力保持恒定。

系统会根据力传感器测得的信号进行实时调整，使得探针对样品表面的作用力保持在一个预设值附近，从而实现对样品表面的准确测量。

4. 图像处理与显示系统：图像处理与显示系统对原子力显微镜获取的图像进行分析和处理，并将结果以图像形式展示出来。

这使得研究人员可以直观地观察到样品表面的形貌和微观结构。

二、原子力显微镜的工作原理原子力显微镜的工作原理基于探针与样品表面之间的相互作用力，该相互作用力主要包括吸附力、排斥力和弹性力等。

1. 吸附力：当探针与样品表面靠近时，由于分子间的吸引作用，存在一定的吸附力。

该吸附力可以反映出样品表面的化学性质和粘附特性。

2. 排斥力：当探针靠近样品表面时，由于电子云的重叠，存在排斥力。

该排斥力可以提供样品表面的纳米级几何拓扑信息。

3. 弹性力：样品表面的弹性力反映出样品的屈服性和力学性质。

通过测量探针在样品表面上下运动时感受到的力，可以得到样品的弹性特征。

原子力显微镜的运行过程大致如下：首先，将探针缓慢靠近样品表面，使得探针尖端与样品表面之间的距离约为几纳米。

材料现代分析与测试第七章扫描探针显微分析

第七章扫描探针显微分析第一节概述电子探针显微分析（Electrom Probe Microanalysis——EPMA）也称为电子探针X射线显微分析，是利用电子光学和X射线光谱学的基本原理将显微分析和成分分析相结合的一种微区分析方法。

该分析方法特别适用于分析试样中微小区域的化学成分分析，是研究材料组织结构和元素分布状态的极为有用的分析方法。

扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscopes 简称SPM)包括扫描显微镜(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。

它们通过其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特征。

一、SPM的基本原理控制探针在被检测样品的表面进行扫描，同时记录下扫描过程中探针尖端和样品表面的相互作用，就能得到样品表面的相关信息。

因此，利用这种方法得到被测样品表面信息的分辨率取决于控制扫描的定位精度和探针作用尖端的大小（即探针的尖锐度）。

二、SPM的特点1. 原子级高分辨率。

STM在平行和垂直于样品表面方向的分辨率分别可达0.1nm 和0.01nm，即可以分辨出单个原子，具有原子级的分辨率。

2. 可实时地得到实空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及表面扩散等动态过程的研究。

3. 可以观察单个原子层的局部表面结构，因而可直接观察表面缺陷、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，以及水和其它溶液等不同环境下工作，不需要特别的制样技术，并且探测过程对样品无损伤。

这些特点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。

5. 配合扫描隧道谱STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)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。

近代测试技术发展第八章扫描探针显微镜

近代测试技术发展
第八章扫描探针显微镜
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
表面结构分析仪器的局限性
1932年
Ruska Knoll
电子显微镜
透射电子显微镜
场电子显微镜
场离子显微镜
扫描探针显微镜的产生的必然性
纳米科技突飞猛进的发展
Biomolecular Recognition on Vertically Aligned Carbon Nanofibers[1]
ε-Co nanocrystals coated by a monolayer of poly(acrylic acid)-block-polystyrene [2]
应用：可用于表面扩散等动态过程的研究。
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。
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： 5～20 nm。

【实验一】扫描探针显微镜(SPM)解析

2020/10/29
分析测试中心
动态力显微镜（DFM)
工作原理：保持针尖悬臂的振幅衰减量不变
2020/10/29
自由振荡
分析测试中心
振幅衰减
动态力显微镜（DFM)
动态力显微镜是在样品扫描过程中，让探针的悬臂在其共振频率附近作受迫振动，使得针尖以敲打的方式敲击样品表面，由于在敲击过程中针尖与表面之间的相互作用力会改变针尖的振动状态（振幅，频率），从而引起反馈与控制扫描系统的反应，调整扫描状态，保证针尖悬臂的振动状态为初始状态，从而获得样品表面的形貌特征。
STM Scanning Tunneling Microscopy)
（扫描隧道显微镜
2020/10/29
扫描隧道显微镜（STM）
工作原理：保持隧道电流的值恒定。
2020/10/29
分析测试中心
扫描隧道显微镜（STM）特点
优点：1.目前分辨率最高的显微镜 2.可通过对扫描隧道谱的分析得到样品
这种扫描成像的方式减弱了针尖对样品的切向伤害，并且使得针尖与样品之间的相互作用力大大减小。动态力显微镜(DFM)对样品表面基本没有损伤，可以对柔软、易碎的样品进行表征。
2020/10/29
分析测试中心
相位像成像——样品表面倾斜角度不同
2020/10/29
分析测试中心
动态力显微镜（DFM)特点
扫描探针对于样品要求：1.样品厚度不超过1cm 2.表面清洗干净，无污染 3.表面比较平整
2020/10/29
分析测试中心
）
原动子态力力显显微微镜镜（（
分析测试中心
扫描探针显微镜SPM (scanning Probe Microscopy)

扫描探针显微镜使用方法说明书

扫描探针显微镜使用方法说明书使用扫描探针显微镜的方法说明书第一部分：引言在科学研究和相关学科领域，显微镜是一种不可或缺的工具。

扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，简称SPM）是一种非常重要的显微镜，广泛应用于纳米尺度下的表面形貌观测和材料性质的测量。

本说明书将为您介绍扫描探针显微镜的使用方法。

第二部分：仪器基本构造SPM主要由扫描单元和控制单元组成。

扫描单元包括扫描探针和样品台，控制单元包括控制面板和电脑连接接口。

第三部分：准备工作1. 确保实验室环境整洁、无尘，并保持适宜的温度和湿度。

2. 打开仪器电源，确保所有指示灯均正常亮起。

3. 检查样品台表面有无杂质，如果有，请使用无尘纱布轻轻擦拭。

4. 准备扫描探针，从存放盒中取出并确认表面无损伤。

5. 将扫描探针插入扫描单元，确保连接牢固。

第四部分：操作步骤1. 打开控制面板软件，并连接SPM仪器。

2. 在软件界面上选择合适的扫描模式，如原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）或磁力显微镜（Magnetic Force Microscopy，MFM）。

3. 设定扫描参数，包括扫描速度、扫描范围和采样点数等。

4. 载入样品，切记保持样品平整，并固定在样品台上。

5. 选择适当的探针和扫描模式，并进行扫描区域的选择。

6. 开始扫描，观察样品表面的变化，并通过显微镜界面实时监控。

7. 根据需要调整扫描参数，以获得更准确的结果。

第五部分：操作注意事项1. 操作前确保已仔细阅读仪器的用户手册，并按照说明进行操作。

2. 避免直接用手触摸样品和探针，在操作过程中需佩戴手套，以防止外界污染。

3. 注意仪器的安全使用，避免碰撞或震动。

4. 在操作过程中要保持耐心，避免过度扫描或频繁更换探针。

5. 定期对仪器进行维护和校准，以保证其稳定性和准确性。

第六部分：结果分析与展示扫描探针显微镜可以获得高分辨率的表面形貌图像和有关材料性质的信息。

扫描探针显微镜

扫描探针显微镜扫描探针显微镜（ScanningProbeMicroscope，SPM）是扫描隧道显微镜及在扫描隧道显微镜的基础上进展起来的各种新型探针显微镜（原子力显微镜AFM,激光力显微镜LFM，磁力显微镜MFM等等）的统称，是国际上近年进展起来的表面分析仪器，是综合运用光电子技术、激光技术、微弱信号检测技术、精密机械设计和加工、自动掌控技术、数字信号处理技术、应用光学技术、计算机高速采集和掌控及高辨别图形处理技术等现代科技成果的光、机、电一体化的高科技产品。

目录应用特点应用SPM的应用领域是宽广的。

无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料、微电子等应用学科都有它的用武之地。

SPM的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的。

同其它表面分析技术相比，SPM有着诸多优势，不仅可以得到高辨别率的表面成像，与其他类型的显微镜相比（光学显微镜，电子显微镜）相比，SPM扫描成像的一个巨大的优点是可以成三维的样品表面图像，还可对材料的各种不同性质进行讨论。

同时，SPM正在向着更高的目标进展，即它不仅作为一种测量分析工具，而且还要成为一种加工工具，也将使人们有本领在微小的尺度上对物质进行改性、重组、再造．SPM对人们认得世界和改造世界的本领将起着极大的促进作用。

同时受制其定量化分析的不足，因此SPM的计量化也是人们正在致力于讨论的另一紧要方向，这对于半导体工业和超精密加工技术来说有着非同一般的意义扫描隧道显微镜（STM）在化学中的应用讨论虽然只进行了几年，但涉及的范围已极为广泛。

由于扫描隧道显微镜（STM）的最早期讨论工作是在超高真空中进行的，因此最直接的化学应用是察看和记录超高真空条件下金属原子在固体表面的吸附结构。

在化学各学科的讨论方向中，电化学可算是很活跃的领域，可能是由于电解池与扫描隧道显微镜（STM）装置的相像性所致。

同时对相界面结构的再认得也是电化学家们长期关注的课题。

专用于电化学讨论的扫描隧道显微镜（STM）装置已研制成功。

SPM产品介绍和应用指南

SPM产品介绍和应用指南SPM（扫描探针显微镜）是一种先进的显微镜技术，它能够以原子级的分辨率观察和测量样品的表面形貌和特性。

SPM技术在材料科学、纳米技术、生物医学等领域具有广泛的应用。

一、SPM产品介绍SPM技术主要由扫描探针、样品台和探针针尖三部分组成。

其中，探针是SPM的核心部件，它负责对样品进行扫描和测量。

探针针尖的尖端具有原子级的尺寸，通过探针与样品之间的相互作用，可以得到样品表面的拓扑结构、电荷分布和力学性质等信息。

样品台是用于固定和定位样品的平台，保证样品和探针之间的稳定位置关系。

SPM产品通常包括原子力显微镜（AFM）、扫描隧道显微镜（STM）和近场光学显微镜（NSOM）等多种类型。

AFM是SPM技术中最常用的一种，它通过探针的弹簧式接触与样品表面相互作用，获得样品的表面形貌。

STM则是利用电子的量子隧穿效应，通过测量电流来获取样品表面的原子位置和电子状态。

NSOM则结合近场光学和SPM技术，能够实现纳米级分辨率的光学显微镜成像。

二、SPM应用指南1.表面形貌研究：SPM可以对物体表面进行高分辨率的三维成像和形貌重建，对于研究材料的表面形貌变化、粗糙度和纳米结构具有重要意义。

特别是在纳米材料和纳米器件的研究中，SPM可以提供丰富的形貌信息。

2.力谱学分析：SPM可以通过测量探针与样品之间的相互作用力，获取样品的力学性能。

通过应变-应力关系的分析，可以得到材料的弹性模量、硬度和体积变形等性质。

3.电学性能研究：SPM可以检测和测量样品的电流、电压、电荷分布等电学性质。

尤其是在半导体器件和电子元器件的研究中，通过SPM技术可以实现对局部电学性能的定量分析。

4.生物医学研究：SPM在生物医学领域中发挥着重要的作用。

通过SPM技术，可以对生物样品的纳米结构、分子排列以及细胞结构进行研究。

并且，SPM技术还可以用于观察和测量细胞的力学特性，如柔软度和弹性变形等，对于癌细胞的早期诊断和治疗具有潜在的临床应用前景。

实验三扫描探针显微镜的构造及形貌分析

实验三扫描探针显微镜的构造及形貌分析一、目的要求1.了解扫描探针显微镜的结构和构成以及其所包含的功能2.了解扫描探针显微镜的实验条件3.掌握扫描探针显微镜的成像原理及成像条件4.掌握扫描探针显微镜的样品前处理5.学会分析扫描探针显微镜的数据结果二、扫描探针显微镜的基本结构和工作原理1.扫描探针显微镜的基本结构扫描探针显微镜大体由探针、激光光路，扫描头、反馈与扫描控制电路，与数据采集和显示系统组成。

⑴探针：探针是扫描探针显微镜中探测样品表面信息的一个探头，其末端半径非常小。

扫描探针显微镜为一个有弹性很好的水平微悬臂支撑的金字塔型晶体针尖，一般在扫描探针工作的时候，针尖末端距离样品表面的距离只有几个埃左右，其与样品之间的相互作用力为范德华作用力，随着距离的变化迅速衰减。

四象限光电位置探测器实际由四个光电探测器组成，每个探测器为一个象限；当激光灯打在四象限位置探测器上，每一个象限将会接收到光信号，并且将一定强度的光信号转换为相应大小的电信号，通过四个象限的光强之差的大小，可探知光斑中心的位置，其中上两个象限（A 和B ）与下两个象限（C 和D ）的相对光强差（DIF 值）的大小代表了光斑在垂直方向上偏离中心的偏离量。

表示了悬臂的垂直弯曲量，左象限（B 和C ）与右象限（A 和D ）相对光强差（FFM 值）代表光斑水平偏离中心的偏离量，表示悬臂的横向扭曲量。

其探测针尖悬臂形变的原理为：整个激光光路系统是一个光杠杆放大器，当针尖与样品间的距离边小时，其相互作用力变大，导致针尖悬臂产生微小的形变。

针尖的微小形变导致了由针尖反射到检测器（四象限探测器）的激光光斑中心发生了偏移，由于整个光路的长度是针尖悬臂长度的几百到上千倍，所以整个光路将针尖微小的形变放大了上千倍，所以整个光路将针尖微小的形变放大了上千倍，达到了微米级四象限探测器可以将光斑中心离距离探测器中心的距离线性的 B A C D转化成电压，并且这种微米级的光斑移动可以被四象限检测器轻易检测到。

扫描开尔文探针原理

扫描开尔文探针原理今天来聊聊扫描开尔文探针原理的事儿。

不知道你有没有注意过这样一个生活现象，就是冬天的时候，你穿着毛衣，当你脱毛衣的时候，会听到噼里啪啦的声音，有时候甚至还能看到小火花。

这其实就是静电现象的一种体现，这和扫描开尔文探针的原理有点关系呢。

扫描开尔文探针主要是用于测量材料表面的功函数。

那功函数是什么呢？简单来说，就是电子想要从材料里面跑出来，得克服一定的能量障碍，这个能量障碍的大小就是功函数。

打个比方吧，材料就好比是一个封闭的果园，里面的电子就像是果园里的果子。

而这个功函数呢，就像是果园的围墙高度。

电子要离开果园就必须越过这道围墙，围墙越高，代表功函数越大。

扫描开尔文探针是怎么测量这个功函数的呢？这就要说到电场的作用了。

它主要是通过利用一个悬浮的探针，这个探针靠近被测量的材料表面的时候，由于材料表面功函数和探针功函数不同，会产生电场。

当给这个电场施加一个外部偏压，使得电场为零的时候，这个偏压的值就和材料与探针之间功函数的差值有关了。

有意思的是，我一开始也不明白为什么这个小探针能这么精确的测量。

我就去查阅了很多资料，发现这里面涉及到许多电学的理论知识。

比如说，涉及到电荷的分布，电场力的平衡状态等理论。

实际应用方面，在腐蚀研究中就会用到扫描开尔文探针。

因为不同的金属表面发生腐蚀时，会伴随着电子的“流失”或者“获得”，这就会改变金属表面的功函数，通过扫描开尔文探针就能检测到这种变化，从而来研究腐蚀过程。

不过我也得承认我的认知还是存在局限性。

比如说关于一些更复杂材料的功函数测量，我知道可能会受到更多因素的影响，像材料的晶体结构、表面粗糙度这些，但是具体是怎么影响的，我还有待学习。

说到这里，你可能会问：这种测量方法有什么注意事项吗？其实是有的，比如说环境湿度就可能会影响测量结果，如果环境太潮湿，就有可能改变材料表面的电学性质，导致测量不准。

扫描开尔文探针原理的理解对我们还是很有用的，不仅仅是在科学研究方面，像在工业材料表面检测这种实际应用场景里也是非常有价值的。

扫描探针显微镜工作原理

扫描探针显微镜工作原理
扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是一种
高分辨率显微镜，能够实现对物质表面的原子级别成像。

其工作原理基于显微针（probe）的扫描和相互作用力的测量。

1. 探针的制备：显微针一般是由导电材料制成，如金属或半导体材料。

常用的探针形状包括尖锐的金字塔、圆锥或纳米线等。

2. 扫描：探针通过微机械控制精确地扫描物体表面。

扫描方式一般有两种：原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）和隧道电子显微镜（Scanning Tunneling Microscopy，STM）。

3. 相互作用力测量：
- AFM：探针尖端与样品表面之间的相互作用力会改变探针
的弯曲度或振动频率，并通过探针弹性常数和振幅的变化来测量相互作用力。

常用的工作模式有接触模式、非接触模式和谐振模式。

- STM：通过将探针靠近样品表面，利用隧道效应中的电子
隧道电流来实现相互作用力测量。

由于隧道电流强依赖于针尖与样品之间的距离，通过测量电流变化可以获得样品表面的几何拓扑图像。

4. 数据处理和成像：根据探针的扫描轨迹和相互作用力的测量结果，可以得到物体表面的几何形貌和性质。

通过计算机图像处理算法进行数据处理和分析，可以生成高分辨率的原子级别表面成像。

扫描探针显微镜具有高分辨率、操作灵活等优点，并可以应用于材料科学、生物学、纳米技术等领域的研究和应用。

扫描探针显微镜成像原理

扫描探针显微镜成像原理扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy, SPM）是一种高分辨率的表面分析和制备技术，目前已经成为材料科学、物理学、化学、生物学等领域中不可或缺的工具。

其主要原理是利用探针在样品表面进行扫描，并通过感知器测量样品表面力、电流、电压等信号，以获得样品表面形貌、电荷分布、力和磁性等物理数据，从而实现对样品表面微观结构的观测和操纵。

SPM技术主要分为场发射扫描电子显微镜（Field Emission Scanning Electron Microscopy, FESEM）和扫描探针显微镜两大类。

扫描探针显微镜包括了原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）、磁力显微镜（Magnetic Force Microscopy, MFM）、静电力显微镜（Kelvin Probe Force Microscopy, KPFM）和电荷注入记录显微镜（Scanning Capacitance Microscopy, SCM）等多种类型。

本文将主要介绍原子力显微镜的成像原理。

原子力显微镜（AFM）是20世纪80年代初期发明的一种新型扫描探针显微镜。

它采用的是一种机械测量方法，利用管壳、针、针尖等传感器进行扫描，对样品表面进行接触式的探测，可以实现纳米级别的表面形貌检测和测量。

AFM显微镜主要由扫描机构、探针和控制系统组成。

扫描机构控制扫描探针在样品表面进行扫描，探针则负责探测样品表面的形态变化和材料力学性质。

控制系统则通过信号采集与处理，将探针扫描时所接收到的信号转换成图像。

探针是AFM图像获得的关键之一。

探针直接接触样品表面，测量样品表面形貌的方法是通过探针尖端与样品表面的相互作用来实现的。

探针通常是由硅或氮化硅材料制成，尖端则是采用电子束刻蚀、化学腐蚀、电解腐蚀或氙气离子束刻蚀的方法来加工制作。

当探针尖端接触到样品表面时，由于原子间作用力的存在，会产生相互作用力的变化。

扫描探针显微镜的原理

扫描探针显微镜的原理你可以把扫描探针显微镜想象成一个超级超级精细的小探子。

这个小探子可不得了呢，它能让我们看到超级小的东西，小到啥程度呢？就是那些纳米级别的小物件。

那它是怎么做到的呢？它有一个特别尖的探针，这个探针就像是我们的手指头，不过比手指头可精细多了。

这个探针靠近我们要观察的样品表面，近到什么程度呢？近到能感受到样品表面原子的高低起伏呢。

当探针靠近样品的时候啊，就会有一些奇妙的相互作用。

比如说有隧穿电流这种东西。

就好像是在微观世界里，有一些调皮的小电流精灵，它们会在探针和样品之间悄悄穿梭。

如果样品表面高一点，那这个隧穿电流就会大一点；如果样品表面低一点呢，隧穿电流就会小一点。

这就像是在玩一个很微妙的游戏，电流随着样品表面的起伏而变化。

然后呢，这个显微镜就会根据这些电流的变化来绘制出样品表面的样子。

就像我们画画一样，根据不同的电流大小，在电脑上或者记录的地方画出高低起伏的线条，这样就一点点把样品表面的微观结构给呈现出来了。

还有哦，这个探针在样品表面移动的时候，就像是一个小小的探险家在一个神秘的微观世界里探险。

它移动得非常非常慢，这样才能精确地感受到每一个小地方的不同。

你想啊，这就好比我们在一个布满小丘陵和小山谷的微观大地上，探针就像是一个超级敏感的小脚丫，每走一步都能感觉到地面的高低不平，然后把这种感觉转化成我们能看到的图像。

而且啊，扫描探针显微镜还不只是能看到表面的高低起伏呢。

它还能感受到样品表面的一些其他特性，比如说力的作用。

就像是这个探针能感觉到样品表面原子之间的那种小拉力或者小推力。

这就更神奇了，就好像这个探针能和原子对话一样，知道它们之间的小秘密。

这个扫描探针显微镜啊，就像是打开微观世界大门的一把神奇钥匙。

它让科学家们能够看到那些以前想都不敢想的微观结构。

比如说研究那些超级小的生物分子，就像小细菌的小部件啦，或者是研究一些新型材料的微观结构，看看那些原子是怎么排列组合的，就像看一群小蚂蚁是怎么排队的一样有趣。

扫描探针显微技术

➢ 量子
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理学院物理系陈强
一. 扫描隧道显微镜(STM)
隧道效应是波动性旳成果： U(x)
入射波+反射波U0
透射波
0a
x
应用：STM，隧穿二极管，IC集成度旳物理下限…
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2. STM工作原理：
理学院物理系陈强
一. 扫描隧道显微镜(STM)
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理学院物理系陈强
一. 扫描隧道显微镜(STM)
• 扫描近场光学显微镜 SNOM (Scanning Near-field Optical Microscopy)
• 扫描近场声学显微镜 SNAM (Scanning Near-field Acoustical Microscopy)
• 热电势显微镜 STHM (Scanning Thermal Microscopy )
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理学院物理系陈强
一. 扫描隧道显微镜(STM)
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理学院物理系陈强
一. 扫描隧道显微镜(STM) 3. 怎样拾取隧道电流？= 为何1982年才发明？
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理学院物理系陈强
一. 扫描隧道显微镜(STM)
具有两维扫描功能旳电流表
1. 隧道电流小(pA-nA)，隧穿电阻大(M-G) 2. 探针-样品距离小1nm 3. 良好旳机械振动和声音隔绝系统 4. 热漂移小 5. 电子学噪音小
一. 扫描隧道显微镜(STM)
• 公以为20世纪80年代十大科技成就之一。 • 发明者宾尼(G.Binnig)和罗雷尔(H.Rohrer)在
1986年荣获诺贝尔物理学奖。
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理学院物理系陈强
一. 扫描隧道显微镜(STM)
1. STM中旳物理原理：量子隧道效应

扫描探针显微镜原理

扫描探针显微镜原理扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是一种通过扫描探测器表面的探针来获取样品表面形貌和性质的显微镜。

它的工作原理基于根据样品表面的形貌变化，通过探测器与样品表面之间的相互作用力测量来获得显微图像。

在扫描探针显微镜中，探测器通过一系列控制机构移动并探测样品表面的特征。

其中最常使用的探测器是探针，它通常是由纳米尺寸的针状探头构成，例如扫描电子显微镜中的原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）和扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy，STM）。

在AFM中，探针通过控制探测器的位置，使得探针与样品表面保持一定的距离，并通过弹性变形或电力作用测量样品表面与探针之间的相互作用力。

这个相互作用力的变化可以通过探测器的位置和力传感器来测量，从而得到样品表面形貌的信息。

通过扫描探针与样品表面的相对运动，可以逐点测量并构建出样品表面的三维形貌图像。

在STM中，探针与样品之间的相互作用力主要是电荷之间的库仑作用力。

当探针和样品表面之间存在一定的电压差时，电子会通过隧道效应穿过探针与样品之间的空隙，形成隧道电流。

根据隧道电流的强度，可以推断出样品表面的形貌信息。

通过调整电压和探针的位置，可以扫描整个样品表面，并获得高分辨率的原子级图像。

与传统的光学显微镜相比，扫描探针显微镜具有更高的分辨率和更强的表面灵敏度。

它不依赖于样品的透明性或反射性，可以用于观察各种类型的样品，包括生物样品、纳米材料和表面结构复杂的材料等。

因此，扫描探针显微镜在材料科学、生物学和纳米技术等领域具有广泛的应用前景。