扫描探针电子显微镜综述

扫描探针电子显微镜综述[摘要] 新的设计思想带来新的技术革命, S TM 巧妙地利用探针近场(近距离) 探测方法、隧道电流理论、压电陶瓷扫描方法等现代科学技术,大大扩展了显微技术的深度。

借鉴S TM 的方法,许多新型的显微仪器和探测方法相继诞生。

这些显微仪器适用于不同的领域,具有不同的功能。

虽然它们功能各异,但都有一个共同的特点:使用探针在样品表面进行扫描。

科学界把这类显微仪器归纳到一起,统称为扫描探针显微镜。

本文分别对扫描探针显微镜家族中
的原子力显微镜,近场光学显微镜和弹道电子发射显微镜的性能和特点进行综述。

[关键词]扫描探针显微镜;原子力显微镜;近场光学显微镜;弹道电子发射显微镜
[中图分类号] TN16 [文献标识码]A [文章编号]1007 - 7510(2005) 11 - 0033 - 02
An overview of scanning probe microscope
ZHU Yi 1 ,RUAN Xing - yun1 ,XU Zhi-rong1 , YAN G De - qing2
(1. Kunming General Ho spit al of Chengdu Military Region , Kunming Yunnan 650032 , China ;
2. Physics Department of
Yunnan University , Kunming Yunnan 650032 ,China)
Abstract : New de sign idea brings new technology revolution. Scanning Pro be Micro scope (S
TM ) use s t he methods of
close probe detection , t he theory of tunnel current and the technology of piezoelectricity chinaware to improve the pro2fundity of electro - micro scope . By using t he met ho d of S TM , many new microscopy instruments and detection methods have been developed. These instruments are used in various regions and have different functions. Alt ho ugh t hey have different functions but t hey have t he same peculiarity of using t he probe to scan the surface of sample . Scientist s induce all t he se instruments together and call them Scanning Probe Micro scope . This paper discusses the features and cha rac2teristicsof the family members of SPM such as atomic force micro scope , close field optic micro scope and trajectory electron emission microscope .Key words : scanning probe micro scope (S TM ) ; atomic force micro scope ; Scanning mea r - field optical micro scope ; bal2Listic electron emission micro scope
1 原子力显微镜(Atomic Force Micro scope ,A FM)
我们曾指出S TM 只能得到导体和半导体的图像, 而对绝缘体则力不从心了。

怎样解决这个问题? 能不能找到一种既适用于导体,又适用于非导体的探测方法呢?答案是肯定的,这就
是要介绍的原子力显微镜。

最先提出原子力显微镜设计思想的仍是扫描隧道显微镜的发明人:年轻的科学家葛·宾尼。

原子力显微镜的设计思想是这样的: 一个对力非常敏感的微悬臂, 其尖端有一个微小的探针, 当探针轻微地接触样品表面时, 由于探针尖端的原子与样品表面的原子之间产生极其微弱的相互作用力而使微悬臂弯曲, 将微悬臂弯曲的形变信号转
换成光电信号并进行放大, 就可以得到原子之间力的微弱变化的信号。

从这里我们可以看出, 原子力显微镜设计的高明之处在于利用微悬臂间接地感受和放大原子之间的作用力, 从而
达到检测的目的。

图1 是目前商品化的原子力显微镜仪器普遍采用的激光检测法示意图。

激光检测法的工作原理是: 由半导体激光器发出的一束红光经过光学透镜进行准直、聚焦后,
照射到微悬臂上。

三角架形状的微悬臂是利用微电子加工工艺制作的。

微悬臂的尖端是探针, 背面是用于反射激光光束的光滑镜面。

微悬臂的尺寸大约100 微米左右。

汇聚到微悬臂镜面的激光经反射后最终照射到四象限光敏检测器上。

当探针在样品表面扫描时, 由于样品表面起伏不平而使探针带动微悬臂弯曲变化, 而微悬臂的弯曲又使得光路发生变化, 最终导致照射到光敏检测器上的激光光斑位置发生移动。

光敏检测器将光斑位移信号转换成电信号,经
放大处理后即可得到图像信号。

原子力显微镜同样具有原子级的分辨率。

由于原子力显微镜
既可以观察导体, 也可以观察非导体, 从而弥补了STM的不足。

原子力显微镜发明以后, 又出现了一些以测量探针与样品之间各种作用力来研究表面性质的仪器, 例如: 以摩擦力为对象的摩擦力显微镜、研究磁场性质的磁力显微镜、利用静电力的静电力显微镜等。

这些不同功能的显微镜在不同的研究领域发挥着重要的作用,它们又统称为扫描力显微镜。

2 近场光学显微镜(Scanning Near - field Optical Micro2scope)
科学界把探针与样品之间的距离小于几十纳米的范围称为近场,而大于这个距离的范围叫做远场。

显然, STM、AFM等利用探针在样品表面的扫描的方法属于近场探测, 而对于光学显微镜、电子显微镜等远离样品表面进行观测的方法称为远场方法。

正如电子具有隧道效应一样, 光子也具有光子隧道效应。

既然可以利用电子的隧道效应成像, 是否也能利用光子隧道效应成像呢? 传统光学显微镜的分辨率不能超过光波波长的一半,这是限制光学显微镜分辨本领的桎梏。

研究发现,物体受光波照射后, 离开物体表面的光波分为两种成份: 一部分光向远方传播, 这是传统光学显微镜能接收的信息; 而另一部分光波只能沿物体表面传播, 一旦离开表面就很快衰减。

这部分在近场传播的光波又叫隐失波。

由于隐失波携带有研究样品表面非常有用的信息, 科学家一直设想能对这种近场的光波加以研究利用。

S TM 新颖的设计思想的出现,为近场光学的研究提供了思路。

于是一种新型的科研仪器,近场光学显微镜诞生了。

图2 是近场光学显微镜的原理示意图。

将一个同时具有传输激光和接收信号功能的光纤微探针移近样品表面, 微探针表面除了尖端部分以外均镀有金属层以防止光信号泄露, 探针的尖端未镀金属层的裸露部分用于在微区发射激光和接收信号。

当控制光纤探针在样品表面扫描时, 探针一方面发射激光在样品表面形成隐失场, 另一方面又接收10 - 100 纳米范围内的近场信号。

探针接收到的近场信号经光纤传输到光学镜头或数字摄像头进行记录、处理,再逐点还原成图像等信号。

近场光学显微镜的其它部分与S TM 或A FM 很相似。

由于近场光学显微镜探测的是隧道光子, 而光子又具有许多独特的性质:例如,没有质量、电中性等,因此,近场光学显微镜在纳米科技中扮演的角色是其它扫描探针显微镜所不可替代的。

3 弹道电子发射显微镜(Ballistic - Electron – Emission Microscopy ,B E EM)
一般来说, 当两种材料相互接触时, 接触的面就叫做界面。

界面是看不见,摸不着的。

界面到底有什么特殊的物理和化学性质一直是人们关心的问题。

对于半导体材料来讲, 界面的研究尤其重要。

例如我们所熟悉的二极管、三极管就是利用其界面的特殊性质进行工作的。

在以往的半导体/ 半导体或金属/半导体界面研究中, 人们只能通过宏观或平均的测量来了解界面的性质,而对微观的界面情况了解甚少。

S TM 近场探测方法的实现, 也开阔了人们研究微观界面的思路。

弹道电子发射显微镜也是在S TM 的基础上设计出来的。

图3 是弹道电子发射显微镜的示意图。

为了理解B E EM的工作原理, 我们可以回想一下中学时学过的半导体二极管和三极管。

二极管是由掺杂有不同材料的P 型和N 型半导体构成的; P 型和N 型半导体构成的界面称为PN 结。

而三极管则是由两个PN 结组成。

PN 结实际上是一种被称为肖特基势垒的异质结, 正是由于这种界面异质结的特殊性质使得三极管具有了奇妙的放大作用。

现在我们把S TM 的探针接近具有异质结的样品表面。

它具有两个信号通路: 一个是探针与上层样品构成的S TM 信号通路; 另一个是由探针经过上层材料和异质结到达下层材料的弹道电流通路。

按照S TM 的工作原理, 当
图2 近场光学显微镜的原理示意图
图3 弹道电子发射显微镜的示意图
总之, 如何科学地构筑课程体系, 合理地整合课程教学内容, 编写出结构优化、内容精练、相关教材衔接和配合、方便教学、节省资源,内容上具有实用性、通用性、先进性、使学生能减轻负担、增加学习兴趣、真正体现医工结合的特色、反映教改新成果的教材,仍需作深入的研究和探讨。

4 出版教材目录
4. 1 参加面向21 世纪课程规划教材(人民卫生出版社)
(1) 医学影像设备学主编张里仁
(2) 医学影像学检查技术主编张云亭袁聿德
(3) 医学影像诊断学编委于富华
(4) 医学电子学基础编委王先运
4. 2 全国高等职业技术教育医学影像学专业规划教材(人民卫生出版社)
(1) 医学影像成像原理主编李月卿编委王昌元
(2) 医学影像设备学主编徐跃编委韩丰谈
(3) 医学影像设备管理主编李林枫编委李建民
(4) 医学影像诊断学主编祁吉副主编刘林祥
(5) 医学影像检查技术主编袁聿德编委于兹喜
(6) 放射物理与防护主编李迅茹编委王鹏程
(7) 放射治疗技术主编王瑞芝编委乔田奎
(8) 影像电子学基础主编陈武凡编委郭永新
4. 3 生物医学工程专业本科协编教材(人民卫生出版社)
(1) 医学影像设备学主编韩丰谈编委王洪林庆德李建民2003 , ISBN 7 - 117 - 04474 - 8
(2) 医学影像学检查技术主编于兹喜编委袁聿德宋树良2003 , ISBN 7 - 117 - 05734 - 3
(3) 医学影像成像理论主编李月卿编委王昌元张里仁郑浩2003. 10 , ISBN 7 - 117 - 05761 - 0
(4) 电工学主编焦青编委吴稼祥范世忠赵传华2003 , ISBN 7 - 117 - 05748 - 3
(5) 电子技术学主编郭永新编委吴稼祥房鹰范世忠2003 , ISBN 7 - 117 - 05770 - X
(6) 放射治疗学主编乔田奎编委辛立袁力2004. 5 , ISBN 7 - 117 - 06081 - 6
(7) 医学图像处理主编王昌元编委李月卿张兆臣2003 , ISBN 7 - 117 - 04487 - X
(8) 医学影像诊断学主编刘林祥编委李长勤2004. 8 ,ISBN 7 - 117 - 06364 - 5
4. 4 出版参考书
1. 全国卫生专业技术资格考试指南影像医学技术专业编委有:李月卿刘林祥张里仁邱建峰袁聿德知识出版社
2. 实习医师影像诊断手册主编刘林祥人民军医出版社
3. 实用社区医师指南编委刘林祥人民军医出版社
4. 诊断学大辞典(第二版) 编委刘林祥华夏出版社
4. 5 自编教材与实验指导讲义
1. 医学影像诊断学专业英语影像诊断教研室
2. 摄影技术专业英语影像技术教研室
3. 影像设备学专业英语影像设备教研室
4. 放射治疗学专业英语放射治疗与防护教研室
5. 模拟电子技术实验讲义医学工程实验室
6. 电工学实验指导医学工程实验室
7. 数字电子技术实验讲义医学工程实验室
8. 医用传感器实验讲义医学工程实验室
9. 信号与系统实验讲义医学工程实验室
10. 影像设备安装与维修实验讲义影像技术实验室
[参考文献]
[ 1] 朱翠玲. 关于研究生“生物医学工程前沿”建设的意见
[J ] . 中国医学物理学杂志,2004 ,21(2) :120 - 121.
[ 2] 邹慧玲,等. 中美生物医学工程本科教育的比较及启示
[J ] . 医疗设备信息,2004 , (4) :1 - 4.
[ 3] 汤黎明,等. 医院中临床医学工程学科发展建设的研究
[J ] . 医疗设备信息,2004 , (9) :1 - 3.☆
探针与样品之间的距离非常接近时, 由于探针的电势场高于样品, 探针会向样品发射隧道电子。

这些隧道电子进入样品到达界面时, 虽然大部分电子的能量由于已经衰减而被界面的势垒反弹回来, 但是仍有少数能量较高的电子能够穿透界面到达下层材料, 这些穿透过界面的电子称为弹道电子。

由于弹道电子在穿透界面时携带了许多有关界面的信息, 因此B E EM 为界面的研究提供了有价值的数据。

B E EM 的另一个特点是可以同时得到表面的S TM 图像和界面的图像, 这对于同时对表面和界面进行探测、研究和比较是十分有利的。

如前所述,扫描探针显微镜的种类有很多。

例如,用以研究磁场现象的磁力显微镜, 研究表面摩擦的摩擦力显微镜, 还有静电力显微镜、扫描噪声显微镜、扫描热显微镜、光子隧道显微镜、离子电导显微镜,等等。

这些显微镜在不同的研究领域发挥着各自不同的作用。

可以预料,随着纳米科技的蓬勃发展,将不断会有新型的仪器产生并加入到扫描探针显微镜家族之中。

[参考文献]
[ 1] 阮兴云,等. 医疗设备理论与实践[M ] . 昆明:云南科技出版社,2000.
[ 2] 西门纪业,等. 电子显微镜的原理和设计[M ] . 北京:科学出版社,1979.
[ 3] 朱宜等. 电子显微镜的原理和使用[M ] . 北京:北京大学出版社,1983. ☆。