2013年SPM课件

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• 3-2.2 原子力显微镜的工作原理
• 尽管STM有着现代许多表面分析仪器所不能比 拟的优点，但由仪器本身的工作原理所造成的 局限性也是显而易见的。由于STM是利用隧道 电流进行表面形貌及表面电子结构性质的研究， 所以只能直接对导体和半导体样品进行研究， 不能用来直接观察和研究绝缘体样品和有较厚 氧化层的样品。为了弥补STM这一不足，1986 年斯坦福大学的Binnig，Quate和Gerber发明了 第一台原子力显微镜。
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3-3 SPM工作方式
• 3-3.1 扫描隧道显微镜的成像模式 • STM根据检测方式不同一般可分为恒电 流（Constant Current Mode）和恒高度 （Constant Height Mode）两种模式（以下简 称为恒流模式和恒高模式），两种成像模 式示意图如上所述。
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STM的局限性 尽管扫描隧道显微镜(STM)有着SEM、FIM等仪器所不 能比拟的诸多优点，但由于仪器本身的工作方式所造成 的局限性也是显而易见的。这主要表现在以下方面： 1).在扫描隧道显微镜(STM)的恒电流工作模式下， 有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测， 与此相关的分辨率较差。在TEM的观测中则不会出现这 种问题。 2)在恒高度工作方式下，从原理上这种局限性会有 所改善。但只有采用非常尖锐的探针，其针尖半径应远 小于粒子之间的距离，才能避免这种缺陷。在观测超细 金属微粒扩散时，这一点显得尤为重要。 3).扫描隧道显微镜(STM)所观察的样品必须具有一 定程度的导电性，对于半导体，观测的效果就差于导体； 对于绝缘体则根本无法直接观察。如果在样品表面覆盖 导电层，则由于导电层的粒度和均匀性等问题又限制了 图象对真实表面的分辨率。 4) 此外，因针尖形状的不确定性往往会对仪器的 分辨率和图象的认证与解释带来许多不确定因素。 19
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①隧道电流检测法； ②电容检测法； ③光学检测法； ④压敏电阻检测法。 由于针尖与样品之间的作用力为微 悬臂的力常数和形变量的乘积，所以无 论哪种检测方法，都应不影响微悬臂的 力常数，而且对形变量的检测须达到纳 米级以上。
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• 光学检测法:一束激光照射到微悬臂的背 面，微悬臂将激光束反射到一个光电检 测器，检测器不同象限接收到的激光强 度差值同微悬臂的形变量会形成一定比 例关系，比如当微悬臂的形变约为 0.01nm，激光束反射到光电检测器后， 则可放大为3－10nm的位移，产生可测量 的电压差。
F＝k·Δz
(3-3-1)
其中，k为微悬臂的力常数。 测定微悬臂形变量的大小， 就可以获得针尖与样品之 间作用力的大小。 k由材料的性质所决定，（负 号表示弹簧所产生的弹力 与其伸长的方向相反）。
f kq
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• 毫无疑问，AFM的应用范围比STM更为广阔， 它克服了扫描隧道显微镜的不能应用于绝缘材 料上局限性，被广泛应用于导体、半导体和绝 缘体材料表面的结构研究，而且AFM实验也可 以在大气、超高真空、溶液以及反应性气氛等 各种环境中进行，因而在表面科学、材料科学 和生命科学等领域的研究中有其特殊的重要意 义。除了可以研究各种材料的表面结构外， AFM还可以研究材料的硬度、弹性、塑性等力 学性能以及表面微区摩擦性质；也可以用于操 纵分子、原子，进行纳米尺度的结构加工和超 高密度信息存储。
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FA FR FW
A B n m r r
• 式中，r表示针尖原子与样品表面的最小 距离。A, B, m, n针对不同的模型，为不 同的常数。
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• AFM针尖装在一个一端固定的弹性微悬 臂上，弹性微悬臂对微弱力极为敏感，当 样品或针尖轻轻接触时，针尖与样品表面 原子之间的相互作用力（既可能是吸引的， 也可能是排斥的）就会引起微悬臂发生微 小的弹性形变。也就是说微悬臂的形变可 作为样品－针尖相互作用力的直接度量。 到目前为止，检测微悬臂形变的方式主 要有以下几种:
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AFM的图像也可以使用 ( Constant Height) “恒高” 模式来获得，也就是在x、y扫描过程中， 不使用反馈回路，保持针尖与样品之间的距离恒 定，检测器直接测量微悬臂z方向的形变量来成像。 这种方式可以采用更高的扫描速度，通常在观察 原子、分子像时用得比较多，而对于表面起伏较 大的样品不适合。 虽然通常情况下接触模式都可产生稳定的高分辨 图像，但它在研究生物大分子低弹性模量样品以 及容易移动和变形的样品时有一定困难。例如探 针在样品表面上移动以及针尖—表面间的粘附力 有可能使样品产生相当大的变形，并 此时需要采用其他成像模式对样品进行扫描。
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• 反馈系统根据检测器电压的变化不断调整针尖 或样品Z轴方向的位置，保持微悬臂的变形量 不变，即保持针尖—样品间作用力恒定不变， 针尖就会随表面的起伏上下移动，测量检测器 电压对应样品扫描位置的变化即可获得针尖上 下运动的轨迹即样品的表面形貌特征。这种检 测方式被称为“恒力”模式(Constant Force Mode)，是使用最广泛的扫描方式。商用微悬 臂具有的弹簧常数一般为0.004－1.85N/m，针 尖曲率半径大约为30 nm。使用这类针尖，目 前已经获得了许多晶体的原子分辨率图像。
STM、AFM及其相关的显微（镜技）术 统称扫描探针显微（镜技）术(SPM)
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材料现代研究方法(试验) “纳米结构显微分析”
观 察 手 段
扫描探针显微镜 观察倍率 ×10000000 ×1000000 ×100000 ×10000 ×1000 ×100 ×10
分辨率
（场发射） 扫描电子显微镜
扫描共焦激光显微镜
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当针尖尖端原子与样品表面间 存在极微弱的作用力(10-8～ 10-6 N)时，微悬臂会发生微 小的弹 性 形变。针尖和样 品之间的力 F 与微悬臂的形 变 Δz 之 间 遵 循 虎 克 定 律 (Hooke Law)
类比：如把振动中的双原 子近似看作用一个服从 Hooke定律的弹簧相连的 两个质量，这就是谐振 子模型。Hooke定律要求 弹簧的恢复力f 与变形 q = r-re成正比。即
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• 非接触式成像模式（Non-Contact Mode-AFM） • 在非接触模式中，针尖保持在样品上方数十个 到数百个埃的高度上。此时，针尖与样品之间 的原子间的相互作用力为引力.在扫描过程中， 针尖不接触样品，而是以通常小于l0 nm振幅始 终在样品表面吸附的液质薄层上方振动。 • 在非接触模式中，系统探测悬臂的共振频率或 振幅通过一个使探测器上下移动的反馈协助保 持其恒定。通过使共振频率或振幅恒定，系统 能保持针尖与样品平均距离恒定，如同接触 AFM的恒力模式。
原子力显微的简称为afm英文全称为atomicforcemicroscope扫描探针显微镜的简称为spm英文全称scanningprobemicroscopescanningprobemicroscope原子力显微镜原理及演示实验毛陆原370110100100010000nm010010001000011010100100010000100000100000010000000观察倍率扫描探针显微镜扫描电子显微镜扫描共焦激光显微镜光学显微镜放大镜分辨率材料现代研究方法试验纳米结构显微分析场发射激光检测原子力镜光学放大不可或缺spmscanningprobemicroscope32321扫描隧道显微镜的工作原理322扫描隧道显微镜仪器结构由于隧道电流与间距s有指数依赖关系因此当针尖在样品表面扫描时要求以至少0001nm001nm的准确度维持稳定的隧道结这是实现stm成像的最为苛刻的要求
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• 轻敲式成像模式（Tapping Mode，TM-AFM） • 轻敲模式是随后发展起来的原子力成像技术， 介于接触模式和非接触模式之间。在轻敲模式 中，微悬臂在其共振频率附近做受迫振动，振 荡的针尖轻轻地敲击表面，间断地和样品接触。 和NC-AFM一样，TM-AFM悬臂的振动振幅随 着探针尖与样品的距离变化而变化，通过探测 变化来产生表面的形貌图像。由于TM-AFM消 除了探针尖与样品间的横向力（摩擦或拉力）， 因此比接触AFM更不容易破坏样品；同时，在 具有大范围样品形貌变化的大扫描尺寸上TMAFM比NC-AFM效率更高。
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• 如图3-5所示。当间隙大时，不存在作用力；在 间隙逐渐缩小过程中，将出现引力（Fw），主 要有范德瓦耳斯力、毛细作用力、磁力和静电 力。引力随着间隙缩小而增大；继续缩小间隙， 探针针尖和样品原子外围电子将出现斥力 （Fr），主要有键结力和静电相互排斥力。斥 力随距离减小的增速比引力快得多，在间隙缩 小过程中将很快由相吸转向相斥。引力和斥力 的合力称之为雷那德－琼斯相互作用势 （Lennard-Jones potential），可以表示为：
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• 类似于STM，接触模式的AFM也有两种工作模 式：恒力模式和恒高模式. • 在恒力模式中，根据AFM反馈系统的信息，针 尖与样品之间的作用力与距离有强烈的依赖关系， 所以在扫描过程中利用反馈回路保持针尖和样品 之间的作用力恒定，即保持微悬臂的变形量不变， 针尖就会随表面的起伏上下移. 记录针尖上下运动的轨迹即可得到表面形貌的信 息。这种检测方式被称为“恒力”模式 (Constant Force Mode)，是使用最广泛的扫描 方式。
3-3.2 原子力显微镜的成像模式
AFM有多种操作模式，一般有以下五种：接触模式 （Contact Mode），非接触模式（Non-Contact Mode）和轻敲模式（Tapping Mode）、Interleave 模式（Interleave Normal Mode／Lift抬起mode） 和力曲线（Force Curve）模式。 根据样品表面不同的结构特征和材料的特性以及 不同的研究需要，选择合适的操作模式。下面分 别介绍接触模式、非接触模式和轻敲模式三种 最常用的操作模式及其应用。
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• 接触式成像模式（Contact Mode，CM-AFM） • 接触模式是AFM的常规操作模式。 • 在接触模式中，针尖与样品表面的距离只有几 个埃，产生的范德瓦尔斯力大约有0.1-1000 nN。 微悬臂自身的力对样品的作用就像是一个被压 缩的弹簧的力。吸引力和排斥力的大小还要取 决于微悬臂的弯曲程度和弹性系数。在接触模 式的实际操作中，针尖通常是受到这些力的综 合作用，而且要通过原子间排斥力来平衡探针。
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• ①如何实现针尖在样品表面上的精确扫 描?通常z方向的控制精度应达到0.0l Å， x和y方向的控制精度应达到0.1 Å左右； • ②环境振动和冲击的有效隔绝； • ③如何使针尖 -样品间距从宏观距离缩短 到能够发生电子隧穿的至近距离?
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• 图3-3 STM系统的基本结构示意图
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尽管STM具有亚纳米级的精度，但由于对样品有 非绝缘性的特性要求，只能针对导体和半导体 材料进行研究。为了解决这个问题，原子力显 微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM） 应运而生，并且同样能够提供原子级分辨率的 样品表面图像。此后人们在STM 和AFM 原理的 基础上又相继发明了力调制显微镜(FMM)、相 位检测显微镜(PDM)、静电力显微镜(EFM)和近 场光隧道扫描显微镜(NSOM)等各种系列显微镜。
第3讲 原子力显微镜原理及 演示实验（毛陆原）
扫描隧道显微镜的简称为STM,英文名称 Scanning Tunneling Microscope； 原子力显微的简称为AFM, 英文全称为Atomic Force Microscope ； 扫描探针显微镜的简称为SPM, 英文全称 Scanning Probe Microscope .
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原子力显微镜与扫描隧道显微镜的最大的区别在 于并非(不一定)利用电子隧道效应，而是通过 检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间 的极微弱的原子间作用力来研究物质的表面特 性。 AFM是利用一个对力敏感的探针探测针 尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的， 工作原理如图3-3-1所示。 将一个对微弱力极敏感的弹性微悬臂一端固定， 另一端的针尖与样品表面轻轻接触。 Hooke's law 定义：材料在弹性变形范围内，力与 变形成正比的规律。
光学显微镜 放大镜
射电 线子 微探 分针 析
X-
10000 10
1000 1
100 0.1
10 0.01
1 0.001
0.1 0.0001
ｎｍ μｍ
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激光检测原子力镜 光学放大不可或缺
SPM = Scanning Probe Microscope
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3-2 扫描探针显微镜的工作原理
3-2.1 扫描隧道显微镜的工作原理 3-2.2 扫描隧道显微镜仪器结构 • 由于隧道电流与间距S有指数依赖关 系，因此当针尖在样品表面扫描时，要 求以至少0.001 nm/ 0.01 nm的准确度维 持稳定的隧道结，这是实现STM成像的最 为苛刻的要求。 • STM设计须解决下述问题：