扫描探针显微分析题库

第二章 电子显微分析
第六节 扫描探针显微分析
1.扫描隧道显微镜由哪几部分构成？试述扫描隧道显微镜的工作原理。

答：（1）构成：
1 隧道针尖
② 三维扫描控制器
③ 减震系统
④ 电子学控制系统
⑤ 在线扫描控制和离线数据处理软件
（2）工作原理：STM 的工作原理是利用量子力学中电子的隧道效应，将原子线度的探针尖部和被研究的样品表面作为两个电极，当样品与针尖非常接近时（通常小于1nm ），电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一个电极，这种现象称为隧道效应。

隧道效应在外加电场的作用下，形成定向流动的电流称为隧道电流，隧道电流I 是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品间的距离S 和平均功函数有关，如下式所示：
)
exp(21S A V I b Φ-∝式中，V b 是加在针尖和样品之间的偏置电压，Ф为平均功函数，221Φ+Φ≈Φ，Ф1和Ф2分别为针尖和样品的功函数，A 为常数，在真空条件下等于1。

由（2-62）可知，I 与S 为指数关系，由此可知，隧道电流I 对针尖-样品间的距离S 非常敏感。

由此可以根据隧道电流的变化得到样品表面微小表面起伏的变化，然后对x-y 方向同时扫描就可以直接得到三维样品的表面形貌图。

2．试述扫描隧道显微分析的优点。

答：（1）具有原子级高分辨率，STM 在平行和垂直于样品表面方向上的分辨率分别可达 0.1 nm 和 0.01 nm，即可以分辨出单个原子。

（2）可实时得到空间中样品表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究，这种可实时观察的性能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，而不是对体相或整个表面的平均性质，因而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，样品甚至可浸在水和其他溶液中 不需要特别的制样技术并且探测过程对样品无损伤。

（5）配合扫描隧道谱（STS）可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度。

表面电子阱、电荷密度、表面势垒的变化和能隙结构等（6）利用STM针尖，可实现对原子和分子的移动和操纵，这为纳米科技的全面发展奠定了基础。

3．试述原子力显微镜的基本结构。

答：主要由三部分组成，分别为力检测部分、位置检测与调节部分和信息控制处理部分。

（1）力检测部分
力检测部分是AFM的关键组成部分，其主要是由一个头组成，头上带有一个用来扫描样品表面的探针，探针之尖端的曲率半径则在纳米量级，探针是装在微观悬臂（cantilever）上，悬臂大小在数十至数百微米，通常由硅或者氮化硅构成。

在原子力显微镜系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力，通过微小悬臂来检测原子之间力的变化量。

（2）位置检测与调节部分
位置检测与调节部分的作用合理的控制样品与探针之间的距离，其主要是通过一组步进马达、压电陶瓷、激光器和激光探测装置实现。

原子力显微镜（AFM）的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂cantilever摆动，所以当激光照射在cantilever的末端时，其反射光的位置也会因为cantilever摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。

在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，通过控制器作信号处理，然后驱动马达进行运动调节位置。

（3）信息处理与控制部分
原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光检测器探测，并传入控制器，在控制器中进行分析处理，然后反馈回去，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持合适的作用力，测试结果与操作指令通过计算机控制程序。

4．原子力显微镜有哪几种工作模式？试简述每种工作模式的特点。

答：AFM的工作模式可以分为接触模式、非接触、轻敲模式和侧向力模式等。

在接触模式中，针尖始终与样品保持接触，两者相互接触的原子中电子间存在库仑排斥力，它可以形成稳定的高分辨率的图像，但针尖在样品表面上的移动以及针尖与样品间的黏附力会在图像数据中产生假象。

非接触模式所检测的是范德瓦耳斯吸引力和静电力等对成像样品没有破坏的长程作用力，但是由于针尖和样品间距比较大，分辨率也较接触模式的低。

轻敲模式介于接触模式和非接触模式之间，在轻敲模式中，针尖同样品接触，分辨
率几乎和接触模式的一样好，同时因接触时间短暂而使剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失。

5．阐述原子力显微镜的特点。

答：相对于扫描电子显微镜，原子力显微镜具有许多优点。

不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM提供真正的三维表面图。

同时，AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。

而且电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。

这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织。

和扫描电子显微镜(SEM)相比，AFM的缺点在于成像范围太小,速度慢，受探头的影响太大。