第二章 纳米材料的表征方法之STM和AFM
纳米材料-第二章 纳米材料的表征方法
1.此法是利用化学溶液对物质的溶解作用达到减薄 样品的目的。
2.通常采用硝酸，盐酸，氢氟酸等强酸作为化学减 薄液，因而样品的减薄速度相当快。
透射电子显微镜样品制备纳米材料 Nanomaterials
制样步骤： a.将样品切片，边缘涂以耐酸漆，防止边缘因溶 解较快而使薄片面积变小； b.薄片洗涤，去除油污，洗涤液可为酒精，丙酮 等； c.将样品悬浮在化学减薄液中减薄； d.检查样品厚度，旋转样品角度，进行多次减薄 直至达到理想厚度，清洗。
透射电子显微镜样品制备纳米材料 Nanomaterials
制样步骤：
a.将样品捣碎； b.将粉末投入液体，用超声波振动成悬浮液，液 体可以是水，甘油，酒精等，根据试样粉末性质 而定； c.观察时，将悬浮液滴于附有支持膜的铜网上， 待液体挥发后即可观察。
透射电子显微镜样品制备纳米材料 Nanomaterials
• 它和物镜一样是短焦距强磁透镜。但是对投影 镜精度的要求不像物镜那么严格，因为它只是 把物镜形成的像做第三次放大。
• 具有很大的场深和焦深.
场深是指在保持象清晰的前提下，试样在物平面上下沿镜 轴可移动的距离，或者说试样超越物平面所允许的厚度。 焦深是指在保持象清晰的前提下，象平面沿镜轴可移动的 距离，或者说观察屏或照相底版沿镜轴所允许的移动距离 。
M M0 MI MP
需要提及的一点是： 增加中间镜的数量，可以增加放大倍数；但当达到显微镜有效放大倍 数时，再增加中间镜的数量已是徒劳的；因为此时显微镜所能提供的 分辨率已经达到极限，纵使继续放大，也无法分辨出更紧密的两点。
（3）投影镜
纳米材料 Nanomaterials
• 投影镜的功能是把中间镜形成的二次像及衍射 谱放大到荧光屏上，成为试样最终放大图像及 衍射谱。
纳米材料的表征技术
纳米材料的表征技术
纳米材料在不同领域中有着广泛的应用，但是由于其微小的尺寸，传统的表征技术很难准确地描述其结构、形貌和性质。
因此，开发针对纳米材料的表征技术显得尤为重要。
常见的纳米材料表征技术包括：透射电子显微镜(TEM)、扫描电
子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱和X射线衍射(XRD)等。
TEM可以直接观察到纳米材料的形貌和结构，同时还能够对其晶格结构进行分析。
SEM可以通过扫描测量纳米颗粒的大小和分布情况，还可以获得其形貌信息。
AFM可以测量纳米材料的表面形貌和力学性质，并能够进行原位实时观察。
拉曼光谱可以测量纳米材料的分子振动模式和结构信息，而XRD 则是一种非常有用的纳米材料结构表征工具，它可以测量晶体中原子排列的周期性，从而确定晶体的结构类型、晶格常数和晶体成分等信息。
除了上述传统的表征技术之外，近年来，还涌现出了许多新的表征技术，如电子能谱(ES)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和扫描透射电镜(STEM)等，这些技术都为纳米材料的表征提供了更多的手段和思路。
总之，随着纳米材料应用领域的不断扩展，纳米材料表征技术的发展也将迎来更多的挑战和机遇。
- 1 -。
STM AFM
用机械成型法制备的针尖， 前端一般为斜锥状，用这种针尖 扫描时，由亍针尖的宽度和形状 使获得的图形发生畸变，因此测 量时需要迚行软件斱面的图像及 扫描矫正，迚行图像处理的难度 要求也较大。但这种制备针尖的 斱法简单易行，在一般情冴下制 备得较好的针尖，也能够满足测 量精度的要求。
Байду номын сангаас
二、压电陶瓷 由亍仪器中要控制针尖在 样品表面迚行高精度的扫描， 用普通机械的控制是很难达 到这一要求的。目前普遍使 用压电陶瓷材料作为x-y-z 扫描控制器件。 压电陶瓷材料能以简单的 斱式将1mV-1000V的电压 信号转换成十几分乊一纳米 到几微米的位秱。
当样品不针尖的距离非常小（通常小亍1nm) 时,在外加电场的作用下，电子会穿过两个电枀乊间 的势垒流向另一电枀，隧道电流I不针尖和样品乊间 距离S和平均功凼数Φ有关
I ∝V0 exp(- AΦ S )
V0是加在针尖和样品乊间的偏
Φ （ 置电压， ≈ Φ1＋Φ2 ) / 2 ,Φ1和 Φ2分别为针尖和样品的功凼数 A为常数
用扫描隧道显微镜拍摄到的图像
扫描隧道显微镜的工作原理是 基亍量子力学的隧道效应。对亍 经典物理学来说，当一粒子的动 能E低亍前斱势垒的高度V0时，它 丌可能越过此势垒，即透射系数 等亍零，粒子将完全被弹回。而 按照量子力学的计算，在一般情 冴下，其透射系数丌等亍零，也 就是说，粒子可以穿过比它的能 量更高的势垒，
材料物理不化学
亍波
微观世界的探索
仍古至今，人们一直没有放弃对微观世界的探索， 但由亍人类生理上的限制，仅凭肉眼是丌可能分辨这 微观的“世界”的。亍是，我们就要借助亍一些的仪 器。 社会发展、科技迚步总伴随着工具的完善和革新。 显微也丌例外，发展至今可以说是有了三代显微镜。 这也使得人们对亍微观世界的认识越来越深入，仍微 米级，亚微米级发展到纳米级乃至原子分辨率。
扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍
扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）和原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是近代纳米科技研究中最常用的两种显微镜。
它们的工作原理基于量子力学和原子间相互作用的特性，能够在原子尺度上对材料进行高分辨率的观察和测量。
本文将对这两种显微镜的原理和应用进行详细介绍。
一、扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）STM是由布特和罗人于1982年发明的一种高分辨率的表面形貌和电子性质的检测仪器。
它的工作原理基于电子的量子隧穿效应。
当一个金属探针在纳米尺度上与样品表面非常靠近时，由于量子隧穿效应的存在，探针上的电子会通过真空隧穿到样品表面，形成一晶格单位长度上的隧穿电流。
通过控制探针和样品之间的距离，并测量隧穿电流的变化，就可以在纳米尺度上对样品表面的形貌和电导率进行高分辨率的成像。
STM的应用非常广泛。
首先，它可以用于表面形貌的观察和测量。
利用STM的纳米尺度分辨率，可以研究材料表面的形貌结构，比如晶体表面、纳米颗粒的形貌等。
其次，STM可以用于电子能级的探测。
通过测量隧穿电流的大小和变化，可以了解样品的电子性质，比如导体与绝缘体的电子分布、局域缺陷的电子能级等。
另外，STM还可以用于表面化学反应的研究。
通过在STM系统中加入气体环境和局部加热等手段，可以直接观察表面化学反应的过程和反应产物等。
二、原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）AFM是由盖柏勒（Gerd Binnig）和罗隆德（Heinrich Rohrer）于1986年发明的一种非接触式的力学检测器。
它的工作原理基于探针尖端与表面之间的力的相互作用。
AFM采用非接触的方式，将探针尖端靠近样品表面，并通过测量探针向上弯曲或偏移的程度，来推测表面的形貌和性质。
纳米材料的表征
纳米材料的表征纳米材料是指至少在一维尺度上具有至少一个尺寸小于100纳米的材料。
由于其特殊的尺寸效应和表面效应，纳米材料在材料科学、化学、生物学等领域具有重要的应用价值。
然而，由于其尺寸小、表面积大、晶体结构复杂等特点，对纳米材料的表征成为一个极具挑战性的问题。
本文将对纳米材料的表征方法进行简要介绍，希望能够为相关研究人员提供一些参考。
首先，纳米材料的形貌表征是非常重要的。
传统的扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）是常用的表征手段。
SEM能够观察材料的表面形貌，而TEM则可以观察材料的内部结构。
此外，原子力显微镜（AFM）也是一种常用的纳米材料表征手段，它可以实现对纳米材料表面形貌的原子级分辨率成像。
其次，纳米材料的结构表征也是至关重要的。
X射线衍射（XRD）是一种常用的结晶结构表征手段，它可以用来确定材料的晶体结构、晶格常数和晶粒尺寸。
此外，高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和选区电子衍射（SAED）也可以用来观察纳米材料的晶体结构和晶格取向。
再次，纳米材料的成分表征也是必不可少的。
能谱分析技术（如X射线能谱分析、电子能谱分析）可以用来确定纳米材料的化学成分，而质谱分析（如原子质谱、质子质谱）则可以用来确定纳米材料的同位素成分和杂质元素含量。
最后，纳米材料的性能表征是评价其应用价值的重要手段。
热重分析（TGA）、差示扫描量热分析（DSC）和动态力学分析（DMA）可以用来研究纳米材料的热稳定性、热力学性质和力学性能。
总之，纳米材料的表征是一个复杂而又多样化的过程，需要综合运用多种手段和方法。
希望本文介绍的内容能够为相关研究人员提供一些帮助，也希望在不断深入研究的过程中，能够有更多更精确的表征方法被发展出来，为纳米材料的研究和应用提供更有力的支持。
SEM及AFM概述
AFM的优点
STM 的探针是由针尖与样品之间的隧道电流的变化决 定的, STM要求样品表面能够导电，只能直接观察导体 和半导体的表面结构。 对于非导电的物质则要求样品 覆盖一层导电薄膜，但导电薄膜的粒度和均匀性难以 保证，且掩盖了物质表面的细节。
原子力显微镜利用原子之间的范德华力来呈现样品的表 面特性。因此，AFM 除导电样品外，还能够观测非导电 样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆盖，其应用领 域将更为广阔。
利用STM，物理学家和化学家可以研究原子之间的 微小结合能，制造人造分子；生物学家可以研究生物细胞 和染色体内的单个蛋白质和DNA分子的结构，进行分子切 割和组装手术；材料学家可以分析材料的晶格和原子结构 ．考察晶体中原子尺度上的缺陷；微电子学家则可以加工 小至原子尺度的新型量子器件。
原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由Binnig与史 丹佛大学的Quate 于一九八五年 所发明的
STM、AFM的原理及应用
1 扫瞄隧道显微镜（STM）
扫描隧道显微镜发明前的微观形貌检测技术
任何一项发明都不是凭空产生的，都是在前面的工作的基础上的进化。扫描隧道显 微镜也不例外。扫描隧道显微镜是用来检测微观形貌的，在其发明以前，就有几种 微观形貌检测技术了，只是分辨率较低。
表面微观形貌的测量，从原理上可以分为两类：
原子力显微镜的硬件架构
• 力检测部分 • 位置检测部分 • 反馈系统
AFM的工作原理
为原子的直径 为原子之间的距离
在原子力显微镜的系统中，是 性。
在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微小悬臂来感 测针尖与样品之间的交互作用，这作用力会使悬臂摆动 ，利用激光将光照射在悬臂的末端，当摆动形成时，会 使反射光的位置改变而造成偏移量，此时激光检测器会 记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于 系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的 方式给呈现出来。
纳米材料的表面与界面表征
纳米材料的表面与界面表征
纳米材料的表面与界面表征是指对纳米材料表面和界面的结构、形貌、化学成分、电子结构等进行详细的分析和研究，以揭示纳米材料的特殊性质和应用潜力。
以下是几种常见的纳米材料表面与界面表征方法：
1.扫描电子显微镜（SEM）：SEM能够对纳米材料的表面形貌和结构进行高分辨率的成像，揭示纳米颗粒、纳米薄膜等的形态、大小和分布情况。
2.透射电子显微镜（TEM）：TEM可以对纳米材料的内部结构和晶体结构进行高分辨率的成像，同时通过选区电子衍射（SAED）分析纳米晶体的晶格结构。
3.原子力显微镜（AFM）：AFM可以对纳米材料的表面形貌和结构进行原子级别的成像，同时可以进行力谱分析、表面电荷测量等。
4.X射线衍射（XRD）：XRD可以分析纳米材料的晶体结构、晶体尺寸和晶格畸变等，通过研究X射线衍射图谱可以了解纳米材料的晶体性质。
5.拉曼光谱：拉曼光谱可以通过分析纳米材料的振动和晶格模式来确定其化学成分、晶体结构和晶格缺陷等。
6.X射线光电子能谱（XPS）：XPS可以分析纳米材料表面的化学成分、化学键状态和原子组成，提供表面化学信息。
7.扫描隧道显微镜（STM）：STM可以对纳米材料的表面电子结构和电荷分布进行原子级别的成像，提供纳米尺度的电子信息。
8.表面等离子共振光谱（SPR）：SPR可以分析纳米材料表面的电荷转移、吸附物种和吸附态，了解其表面化学性质。
通过以上表征方法的综合应用，可以全面了解纳米材料的表面形貌、晶体结构、化学成分、电子结构等重要特征，为纳米材料的性能优化和应用研究提供重要支持。
纳米材料的一般表征方法
纳米材料的一般表征方法纳米材料的表征可以分为以下几个部分：形貌表征：透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）；成份分析：X射线光电子能谱（XPS），电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)，原子吸收分光光度计(AAS)；结构表征：红外光谱(FT-IR)，拉曼光谱(Raman)，动态光散射（DLS）、纳米颗粒跟踪分析（NTA）、X射线衍射（XRD）；性质表征-光、电、磁、热、力等：紫外-可见分光光度法（UV-Vis），光致发光(PL)。
1、形貌表征：（1）透射电子显微镜（TEM）是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射，可以形成明暗不同的影像，进而可以用来呈现纳米材料形貌的一种表征方式。
TEM还可以配备高分辨率透射电子显微镜（High-Resolution TEM），可以用于观察纳米材料的晶格参数，进而推断其晶型。
而有的纳米材料由于结构的特殊性，需要使用冷冻电镜（Cryo-TEM）来对其形貌结构进行观察表征。
（2）扫描电子显微镜（SEM）利用聚焦的很窄的高能电子束来扫描样品，通过电子束与样品间的相互作用，来激发各种物理信息，对这些信息进行收集、放大、再成像以达到对样品微观形貌表征的目的。
SEM也广泛用于纳米材料形貌的表征分析。
（3）原子力显微镜（AFM）可以在大气和液体环境下对样品进行纳米区域的物理性质进行探测（包括形貌），以高倍率观察样品表面，而不需要进行其他制样处理，可用于几乎所有样品（对表面光洁度有一定要求），就可以得到样品表面的三维形貌图象。
2、成份分析：（1）X射线光电子能谱（XPS）为化学研究提供分子结构和原子价态方面的信息，纳米材料通过XPS分析其原子价态，这些信息往往与其自身性能密切相关。
（2）ICP-AES主要用来测定岩石、矿物、金属等样品中数十种元素的含量。
（3）AAS可以用来测定样品中的元素含量。
物理实验技术中的纳米结构表征方法全面介绍
物理实验技术中的纳米结构表征方法全面介绍引言：在纳米科学和纳米技术发展的背景下，对于纳米结构的表征方法变得日益重要。
纳米材料具有特殊的尺寸效应和表面效应，因此，准确地表征纳米结构对于深入理解其性质和应用具有关键意义。
本文将详细介绍一些主要的纳米结构表征方法，包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）以及拉曼光谱等。
一、扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是一种常用的纳米结构表征方法。
它利用电子束与样品表面的相互作用来产生图像，具有较高的分辨率。
SEM不仅可以得到样品表面形貌的图像，还可以进行元素分析和区域化学分析。
然而，由于SEM使用的是高能电子束，容易对样品造成电子辐射的破坏。
二、透射电子显微镜（TEM）透射电子显微镜是一种与SEM相比分辨率更高的纳米结构表征方法。
TEM利用电子束穿透样品，通过收集透射电子的散射来形成图像。
与SEM不同，TEM可以提供纳米级别的分辨率，能够观察到纳米尺度下的晶格结构和微观缺陷。
但是，TEM需要制备薄样品，并且对操作环境要求较高。
三、扫描隧道显微镜（STM）扫描隧道显微镜利用电子隧穿效应来表征纳米结构。
它使用一个极细的探针在样品表面扫描，通过探针与样品之间的隧穿电流变化来得到表面形貌信息。
STM可以实现原子级别的分辨率，能够观察到纳米尺度下的原子排列和电荷分布。
但是，STM只能用于导电性样品，并且对操作环境要求较高。
四、原子力显微镜（AFM）原子力显微镜也是一种常用的纳米结构表征方法。
它利用探针与样品之间的相互作用力来获取表面拓扑信息。
AFM可以实现原子级别的分辨率，能够观察到纳米尺度下的表面形貌和力学性质。
与STM相比，AFM适用于导电性和非导电性样品，并且对操作环境要求较低。
五、拉曼光谱拉曼光谱是一种通过激光散射来表征纳米结构的方法。
它利用样品中的分子振动模式产生的光散射谱来获取信息。
拉曼光谱可以提供样品的成分分析、晶格结构分析和表面增强拉曼散射等信息。
扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)
STM针尖的制备
生物w秀ww-.专bb心io做o.生co物m
铂铱丝
扫描方式
恒高模式
生物w秀ww-.专bb心io做o.生co物m
恒流模式
用STM得到的形貌图
生物w秀ww-.专bb心io做o点.生缺c陷o物m
高序石墨
碘原子
通过STM实现原子操控
生物w秀ww-.专bb心io做o.生co物m
Fe-circle on the surface of Cu
亨利克.罗雷尔 Heinrich Rohrer
杰德.宾尼 Gerd Binning
1982年于IBM实验室发明了首台STM
1986年获得了诺贝尔物理学奖
STM发明历史与基本工作原理
针尖
平行金属板间的隧道效应生物w秀w样w-品.专bb心iSTo做oM.生：co物m
隧道电流对距离非常敏感
是利用隧道电流对距离的敏感 来设计的，通过采集针尖和样 品表面原子间的隧道电流来表 征材料的表面形貌的
Atomic Force Microscope （AFM）
Magnetic Force Microscopy（MFM）
……
生物w秀ww-.专bb心io做o.生co物m
透射电子显微镜 （TEM）照片
扫描电子显微镜 （SEM）照片
扫描探针显微镜
生物w秀ww-.专bb心io做o.生co物m
扫描探针显微镜
原子生力物显w秀ww-微.专bb心镜io做o.(生cAo物mFM)
AFM的工作原理
生物w秀ww-.专bb心io做o.生co物m
原子力显微镜: 利用原子之间的范德华力来呈现样品的表面特性。
AFM的工作原理
生物w秀ww-.专bb心io做o.生co物m
纳米材料的表征方法之STM和AF
如果需要获取表面结构信息，STM更为适合；若主要关注 表面形貌，则AF更为合适。
实验条件与设备
考虑实验室现有设备和实验条件，包括真空度要求、样品 制备方式等，以确保实验的可行性和准确性。
05 STM和AF的未来发展
STM和AF的技术创新
新型探测器技术
利用新型探测器技术提高STM和 AF的灵敏度和分辨率，实现更精 确的纳米材料表征。
02 STM的基本原理及应用
STM的基本原理
STM的基本原理是基于量子力学和电子波动性的原理，通过测量针尖和样 品之间的微弱相互作用来获得表面形貌信息。
当针尖在样品表面扫描时，针尖和样品之间的隧道电流会发生变化，通过 测量这个电流的变化，可以获得表面形貌信息。
STM具有高分辨率和高灵敏度的特点，可以用于研究表面原子结构和电子 性质。
两者都需要极高的真空度
STM和AF的实验通常需要在高真空环境下进行，以减少表面污染和氧化。
两者都可以用于研究导体和绝缘体
STM和AF都可以用来研究导体、半导体和绝缘体的表面结构。
STM和AF的不同之处
信Байду номын сангаас获取方式不同
STM通过隧道电流检测表面结构，而AF通过测量光子反射率获取表 面形貌信息。
应用范围有差异
AF的分辨率很高，可以检测到单个原子，而且可以在大气环境下工作，不需要真 空条件。
AF在纳米材料表征中的应用
表面形貌观察
力学性能测试
AF可以用来观察纳米材料的表面形貌， 了解材料的表面粗糙度、颗粒大小等 信息。
AF可以用来测试纳米材料的力学性能， 如硬度、弹性模量等。
化学成分分析
通过AF的力曲线分析，可以了解不同 化学成分的原子间相互作用力的差异， 从而推断出材料的化学成分。
纳米材料实验中的表征方法
纳米材料实验中的表征方法近年来，由于纳米材料在各个领域的应用越来越广泛，对其性质和结构的研究也变得日益重要。
纳米材料的尺寸小于100纳米，具有独特的物理、化学和机械性质，但其特殊性也给人们在实验中的表征带来了许多挑战。
为了获得关于纳米材料的详细信息，科学家们开发了一系列高级表征方法，从而进一步了解纳米材料的结构和性能。
本文将探讨几种常见的纳米材料表征方法。
一、透射电子显微镜（TEM）透射电子显微镜是一种广泛应用于纳米材料研究的高分辨率显微镜。
通过将电子束传输到纳米材料上，并以高分辨率对透射电子图像进行记录，TEM可以提供有关纳米材料的形貌和晶体结构的详细信息。
此外，通过选择不同的探测器，可以获得纳米材料的成分和化学结构。
二、扫描电子显微镜（SEM）与TEM不同，扫描电子显微镜主要用于获得纳米材料的表面形貌信息。
电子束会扫描纳米材料的表面，并通过检测出射的次级电子或后向散射电子来创建图像。
SEM可以提供高分辨率的表面形貌图像，从而使科学家们能够观察纳米材料的起伏、孔洞和晶粒的分布。
三、原子力显微镜（AFM）原子力显微镜是一种基于力学测量的表面分析技术。
它利用纳米尺度的探针，在纳米材料表面扫描并对表面的力进行测量。
AFM可以提供纳米材料的三维形貌和材料性质的信息，如硬度、摩擦力和粘附力。
由于其高分辨率和多功能性，AFM被广泛应用于纳米材料的研究和开发。
四、拉曼光谱拉曼光谱是一种利用激光照射纳米材料并测量其散射光谱的无损分析技术。
通过观察分子或晶体的特征散射光，拉曼光谱提供了关于纳米材料的结构、组成和化学键的信息。
此外，拉曼光谱还可以用于研究纳米材料表面的分子吸附、相变和化学反应。
五、X射线衍射（XRD）X射线衍射是一种常用的结晶学技术，可用于研究纳米材料的晶体结构和晶格参数。
通过照射纳米材料样品，并测量散射X射线的角度和强度，科学家们可以推断出纳米材料的晶体结构、晶格常数和晶体粒径等信息。
XRD广泛用于纳米材料的质量控制、相变研究和纳米晶体生长等方面。
纳米尺度下的材料表征方法与技巧
纳米尺度下的材料表征方法与技巧随着纳米科技的不断发展，纳米材料的研究和应用已经深入到各个领域。
纳米材料的特殊性质和表征成为了研究人员关注的焦点之一。
在纳米尺度下，传统的材料表征方法已经无法满足需求，因此发展出了一系列针对纳米材料的表征方法与技巧。
本文将介绍几种常见的纳米尺度下的材料表征方法，并探讨其应用和局限性。
一、透射电子显微镜（TEM）透射电子显微镜是研究纳米尺度材料中结构和成分的重要工具。
TEM可以提供高分辨率的成像，并能够观察到材料的晶格结构、界面和缺陷等信息。
通过TEM，研究人员可以直接观察到纳米尺度下的材料形貌和结构特征，如颗粒大小、形状和分布等。
然而，TEM的应用也存在一些限制。
首先，样品制备对于TEM观察非常关键，需要制备出透明度较高的薄片样品。
其次，TEM对于样品的尺寸有一定要求，太小的样品可能会导致信号噪音比较大。
二、原子力显微镜（AFM）原子力显微镜是一种能够实现纳米尺度下的表面形貌和机械性能表征的工具。
AFM通过探针与样品表面的相互作用，可以测量出样品表面的高度和力学性质。
通过AFM，研究人员可以观察到纳米尺度下的表面形貌、纳米颗粒的尺寸和形状，甚至可以对纳米颗粒进行力学测试。
然而，AFM也存在一些局限性。
首先，AFM的观察范围相对较小，一次只能观察到个别颗粒。
其次，AFM的准确度受到多种因素的影响，如探针质量、环境湿度等。
三、拉曼光谱拉曼光谱是一种基于物质分子的振动和旋转能级跃迁而产生的光谱。
利用激光照射材料，测量散射的光强度和频移，可以得到纳米材料的化学成分和结构信息。
通过拉曼光谱，研究人员可以检测到纳米材料的结构、晶格振动和分子间相互作用等信息。
然而，拉曼光谱也存在一些挑战。
首先，信号强度较弱，需要较长的测量时间。
其次，对于一些化学组成较复杂的材料，拉曼光谱的解析和归属可能较为困难。
四、X射线衍射（XRD）X射线衍射是一种通过材料晶体结构对X射线的衍射现象进行分析的方法。
AFM和STMPPT课件
▪ 在STM的恒流工作模式下，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。
▪ STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性。
▪ 宾尼等人1986年研制作成功的AFM弥补了STM
这方面的不足。后来又陆续发展了一系列的扫描
探针显微镜，如磁力显微镜(MFM)、静电力显微
镜(EFM)、扫描热显微镜、光子扫描隧道显微镜
2(02P1/3S/1T0 M)等。
8
二、STM的基本原理
1、隧道效应
扫描隧道显微镜的工作原理是基
于量子力学的隧道效应。对于经
典物理学来说，当一粒子的动能
E低于前方势垒的高度V0时，它 不可能越过此势垒，即透射系数
等于零，粒子将完全被弹回。而
按照量子力学的计算，在一般情
况下，其透射系数不等于零，也
▪ 可观察单个原子层的局部表面结构。
▪ 可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至 可将样品浸在溶液中，并且探测过程对样品无损
伤。
▪ 配合扫描隧道谱STS(Scanning Tunneling
Spectroscopy)可以得到有关表面电子结构的信
息。
2021/STM本身存在着的局限性
恒流模式
了世界第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道
显微镜(Scanning Tunneling Microscope，简称
STM)。 2021/3/10
3
一、STM的背景知识
2、STM的出现的意义
▪ 使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前景，被国际科学界 公认为二十世纪八十年代世界十大科技成就之一。
第二章纳米材料的表征方法之STM和AFM
历史 最久 应用 最广 可观察 原子整 体形貌
AFM
STM的改进与发展
电镜应用实例
怎样选择电镜
Macromol. Rapid Commun. 2003, 24, 517–521
SEM images of (a) unmodified CLD microspheres and (b) PNIPAAm/dextran hybrid particles. The scale bar is 20 mm.
–1987年，获得高序热解石墨（HOPG） –1987年，获得高序氮化硼（HOPBN）表面的高分辨原子图像。
• 实验条件：非常广泛
– 气氛：大气、真空、溶液、惰性气体结构观测：原子级空间分辨率，表面物理和 化学过程，生物体系。
纳米结构加工：操纵原子和分子，制备纳米尺度 的超微结构和信息存储。 力学性能研究：硬度、弹性、塑性等 表面微区摩擦性质研究
Transmission electron micrographs of PBA/PMMA core/shell latexes
Macromol. Rapid Commun. 2003, 24, 1043–1059
Tapping mode AFM height images of pDMS-bpS-b-pDMSA brushes
实验条件：非常广泛
气氛：大气、真空、溶液、惰性应用：
–表面结构观测：原子级空间分辨率，表面物理 和化学过程，生物体系。 –纳米结构加工：操纵原子和分子，制备纳米尺 度的超微结构。
STM（三）-原理：隧道效应
经典力学：当粒子的能量低于势垒高度时，粒子被 束缚，无法穿越势垒（穿越的几率为零）。 量子力学：低能量粒子穿越势垒的束缚，出现在势 垒之外几率大于零；微观粒子波动性的表现 隧道效应显著出现的条件：势垒宽度与微观粒子的 德布罗意波长相当。遂穿过程遵守能量守恒和动 量（或准动量）守恒定律。
扫描隧道显微镜STM和原子力显微镜AFM分析技术
察到粒子隧穿势垒的现象。
当金属1与金属2靠得很近时（<1nm）两金属 表柬的电子云将相互渗透——电子隧道效应。
若加上小的电压V（偏压），则形成电流—— 隧道电流。
图 电子隧道效应与隧道电流 (a) 隧道效应， (b) 隧道电流的形成
扫描隧道显微镜的基本原理是将原子线度的 极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当 样品与针尖的距离非常接近 (通常小于1nm) 时， 在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间 的势垒流向另一电极。
顶部探针
大小：直径约50~100 nm。
材料：通常是金属钨。
针尖与样品表面距离：一般约为0.3~1.0 nm， 此时针尖和样品之间的电子云互相重叠。当在它们 之间施加一偏压时，电子就因量子隧道效应由针尖 （或样品）转移到样品（或针尖）。
功能：在其与样品互相作用时，可根据样品性 质的不同（如表面原子的几何结构和电子结构）产 生变化的隧道电流。
针尖制备方法：
电化学腐蚀法，机械成型法，离子研磨（溅 射），FIM技术。
针尖材料：W（Mo），Pt (Ir)，0.1~0.3mm金 属丝。
➢ 钨针尖的制备常用电化学腐蚀法。 ➢ 铂-铱合金针尖则多用机械成型法，一般直接用
剪刀剪切而成。
铂-铱合金丝
金属钨丝
不论哪一种针尖，其表面往往覆盖着一层氧化 层，或吸附一定的杂质，这经常是造成隧道电流 不稳、噪音大和扫描隧道显微镜图象的不可预期
1. 具有原子级高分辨率，STM 在平行于和垂直 于样品表面方向上的分辨率分别可达 0.1nm 和 0.01 nm，即可以分辨出单个原子．
这是中国科学 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 出的世界上最小的 中国地图。
显微镜的STM原理与AFM基本原理介绍
显微镜的STM原理与AFM基本原理介绍STM概述1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的G..Binnig和HeinrichRohrer 及其同事们共同研制成功了世界上第一台新型的表面分析仪器—扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope，简称STM)。
STM的出现，使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，研究与表面电子行为有关的物理和化学性质，在表面科学、材料科学等领域的研究中具有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。
为表彰STM的发明者们对科学研究的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔因此获得诺贝尔物理学奖。
STM是继高分辨透射电子显微镜，场离子显微镜之后，第三种在原子尺度观察物质表面结构的显微镜，其分辨率在水平方向可达0.1nm，垂直方向可达0.01nm，它的出现标志着纳米技术研究的一个最重大的转折，甚至可以标志着纳米技术研究的正式起步，这是因为STM具有原子和纳米尺度的分析和加工的能力。
使用STM，在物理学和化学领域，可用于研究原子之间的微小结合能，制造人造分子；在生物学领域，可用于研究生物细胞和染色体内的单个蛋白质和DNA 分子的结构，进行分子切割和组装手术；在材料学领域，可以用于分析材料的晶格和原子结构，考察晶体中原子尺度上的缺陷；在微电子领域，则可以用于加工小至原子尺度的新型量子器件。
STM的工作原理STM是利用量子隧道效应工作的。
若以金属针尖为一电极，被测固体样品为另一电极，当他们之间的距离小到1nm左右时，就会出现隧道效应，电子从一个电极穿过空间势垒到达另一电极形成电流。
且其中Ub：偏置电压；k：常数，约等于1，Φ1/2：平均功函数，S：距离。
从上式可知，隧道电流与针尖样品间距S成负指数关系。
对于间距的变化非常敏感。
因此，当针尖在被测样品表面做平面扫描时，即使表面仅有原子尺度的起伏，也会导致隧道电流的非常显著的、甚至接近数量级的变化。
STM-AFM-LFM三种光学纳米测量技术介绍
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光学纳米测量技术（2）- - -AFM
检测微悬臂弯曲的三种方法（三）---光学检测法 干涉法、反射法
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光学纳米测量技术（2）- - -AFM
缺点：扫描成像过程中，由于针尖在样品表面上拖拽而产生的横向作用力 和样品表面吸附层对针尖产生的表面张力的影响，容易对样品成像造成破 坏，故其应用受到限制。
8
光学纳米测量技术（2）- - -AFM
检测微悬臂弯曲的三种方法（一）---隧道电流法 优点： 灵敏度高 不需要特别的检测手段， 只需要在STM上稍作改 进 缺点： 当微悬臂上产生隧道电流 的部位被污染时，其性能 下降 带针尖的微悬臂+STM
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光学纳米测量技术（2）- - -AFM
检测微悬臂弯曲的三种方法（二）---电容检测法
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实例分析
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thanks
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6
当原子和原子之间距离很近时，它们之间电子云的排斥力作用比原子核和电子云的 吸引力要大，所以合力表现为斥力。当2个原子分开一段距离时，电子云之间的排斥力 作用比原子核和电子云的吸引力要小，故合力表现为引力。
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光学纳米测量技术（2）- - -AFM
原理分析
微悬臂
对力传感器的要求： 低的力弹性系数 高的横向刚性 高的共振频率 带有尽可能尖的针尖 传感器带有镜子或者电极
北京交通大学
三种光学纳米测量技术
1
Contents
目录
1
扫描隧道显微镜 STM
2
原子力显微镜 AFM
3
激光力显微镜 LFM
2
光学纳米测量技术
原子尺寸：10-10m
将纳米尺度的空间变化转化为目前 科技技术能够接收和处理的信息
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实验条件：非常广泛
气氛：大气、真空、溶液、惰性 STM的应用： STM的应用： 的应用
–表面结构观测：原子级空间分辨率，表面物理 表面结构观测：原子级空间分辨率， 表面结构观测 和化学过程，生物体系。 和化学过程，生物体系。 –纳米结构加工：操纵原子和分子，制备纳米尺 纳米结构加工：操纵原子和分子， 纳米结构加工 度的超微结构。 度的超微结构。
ATM（ ATM（七）-微悬臂
ATM（ ATM（八）-操作模式图解
接触模式：最常规操作，稳定、分辨率高。不适用与生物大分子、低弹性模量物质。 非接触模式：静电力或范德华力（长程作用力），分辨率低，应用较少。 轻敲模式：微悬臂在共振频率附近做受迫振动，间断地敲击并接触样品，对样品的破 坏最小，适用于大分子和生物样品。
不同偏压下，反映了样 品表面不同波函数的起 伏，反映费米能级以上、 或者以下的表面电子结 构。 图A：样品流向针尖， Si=Si二聚原子的最高占 据轨道（π键）成像，反 映了π 轨道的空间分布。 图B ： 针尖流向样品。 Si=Si二聚原子的最低未 占据轨道（π∗）成像。
STM（十一） STM（十一）-图像解释
热化学烧孔技术： 热化学烧孔技术： STM隧道电流的焦 STM隧道电流的焦 耳热效应， 耳热效应，诱导电 荷转移复合物发生 局部热化学反应。 局部热化学反应。 TEA：三乙胺，沸 TEA：三乙胺， 点89度。 89度 超高密度： 超高密度：面密度 约1012bits/cm2 问题： 问题：存取速度太 慢。
STM（七）STM（七）-实验方法
• 原子级的超高空间分辨能力：实现关键是STM针尖的 几何形状。 • STM针尖状况：存在一定的不确定性，针尖偶然出现 原子或原子簇的突起，获得可重复的图像仍是目前的 首要问题。 • 常用针尖材料：Pt-Ir（铂铱）针尖，W针尖 • 针尖原子的电子态：d电子态比s电子态分辨率高
STM（三）STM（三）-原理：隧道效应
经典力学：当粒子的能量低于势垒高度时，粒子被 束缚，无法穿越势垒（穿越的几率为零）。 量子力学：低能量粒子穿越势垒的束缚，出现在势 垒之外几率大于零；微观粒子波动性的表现 隧道效应显著出现的条件：势垒宽度与微观粒子的 德布罗意波长相当。遂穿过程遵守能量守恒和动 量（或准动量）守恒定律。
STM（ STM（八）-实验方法
• 样品制备：比较简单，适用于各种导电样品，或者 将有机、生物、颗粒状物质固定在导电基底上。 • 金属样品：避免环境中的污染物质，超高真空STM。 • 半金属：石墨、过渡金属二硫化物、三硫化物。取 新鲜表面既可。 • 半导体：同金属物质，超高真空STM。 • 绝缘体：先沉积金膜
• 样品制备：比较简单。保持高清洁度，表面无污染。 • 纳米粉体样品：单层或亚单层分散并固定在基片上。 • 生物样品：固定在基片上；为保持生物活性，大多 在溶液环境中测定。 • 纳米薄膜样品：可直接测定。
ATM应用（十一） ATM应用（十一）-形貌测定 应用
ATM应用（十二） ATM应用（十二）-电学性能 应用
课题讨论与思考题
1、如何进行纳米材料尺寸及其分布的表征？ 如何进行纳米材料尺寸及其分布的表征？ 2、如何对纳米材料的显微结构、结构缺陷进行表征？ 如何对纳米材料的显微结构、结构缺陷进行表征？
扫描隧道和原子力电子显微镜
扫描隧道和原子力电子显微镜， 1986年诺贝尔物理学 扫描隧道和原子力电子显微镜，是1986年诺贝尔物理学 奖获得者宾尼和罗雷尔相继发明创造的。 奖获得者宾尼和罗雷尔相继发明创造的。
◆
扫描隧道电子显微镜简称STM。 在性能上，其分辨率通常在0.2nm左右，故可用来确 定表面的原子结构。测量表面的不同位置的电子态、 表面电位及表面逸出功分布。
◆
◆ 此外，还可以利用STM对表面的原子进行移出和植入
操作，有目的地使其排列组合，这就使研制纳米级量 子器件、纳米级新材料成为可能ຫໍສະໝຸດ 扫描隧道和原子力电子显微镜
原子力显微镜（AFM）（一） 原子力显微镜（AFM）（一 ）（
• STM的局限性：利用隧道电流研究表面电子结构和形貌。必须保 STM的局限性：利用隧道电流研究表面电子结构和形貌。 的局限性 证有足够的隧道电流。因此， 证有足够的隧道电流。因此，无法用来观测绝缘体或者有厚表面 氧化层的样品。 氧化层的样品。 • AFM（Atomin Force Microscope） AFM（ Microscope） • 发明者： Dr. Quate, Dr. Gerber, Standford Univ. 1986年 1986年 发明者：
STM应用（十三） STM应用（十三）-表面化学反应 应用
可原位研究表 面上发生的各 种化学反应。 种化学反应。 原位探针研究 表面电化学过 程（溶液条 ）。控制局 件）。控制局 域电沉积制备 纳米结构图形。 纳米结构图形。
STM应用（十四） STM应用（十四）-表面化学反应 应用
STM应用（十五） STM应用（十五）-信息存储 应用
基本原理及功能
原子力电子显微镜是在扫描隧道电子显微镜制造技 术的基础上发展起来的。它是利用移动探针与原子间 产生的相互作用力，将其在三维空间的分布状态转换 成图像信息，从而得到物质表面原子及它们的排列状 态。
◆ ◆ 通常，把以扫描隧道和原子力电子显微镜为基础，
兼带上述其他功能显微镜的仪器统称为原子力电子显 微镜。
扫描隧道显微镜 (STM)
德国Omicron公司超高真空扫 德国Omicron公司超高真空扫 Omicron 描隧道显微镜
扫描隧道显微镜法工作原理示意图:
基本原理及功能
◆
扫描隧道电子显微镜的原理不同于传统意义上的 电子显微镜．它是利用电子在原子间的量子隧穿效应。 ◆将物质表面原子的排列状态转换为图像信息的。 在量子隧穿效应中，原于间距离与隧穿电流关系相应。 通过移动着的探针与物质表面的相互作用，表面 ◆ 与针尖间的隧穿电流反馈出表面某个原子间电子的跃 迁，由此可以确定出物质表面的单一原子及它们的排 列状态。
扫描隧道和原子力电子显微镜
一般扫描电子显微镜放大 倍数为几十万倍．透射电子 显微镜的放大倍数可达百万 倍以上
‹‹
扫描隧道电子显微镜 的放大倍数通常可达几 千万倍
应用举例
用STM测量高定向热解石墨 STM测量高定向热解石墨
其它显微镜
LFM 激光力显微镜 可用于观察样品表面的起伏状态。 可用于观察样品表面的起伏状态。由于其探针离 表面较远， 表面较远，而且观察表面起伏的最小尺寸度约 5nm，因此也可用来测量表面窄缝的内部特征。 5nm，因此也可用来测量表面窄缝的内部特征。
• 电流的衰减速度，每埃约为e2倍（7.4倍），非常 电流的衰减速度， 7.4倍），非常 这是STM高的空间分辨率（原子级） STM高的空间分辨率 快。这是STM高的空间分辨率（原子级）的物理起 因。
STM（ STM（六）-工作原理
针尖和样品的距离在 1nm左右或更小 1nm左右或更小
恒高模式：高度不变， 恒高模式：高度不变， 记录隧道电流， 记录隧道电流，通过 电流大小反应高度变 限制： 化。限制：对样品表 面要求很高。 面要求很高。 恒电流模式： 恒电流模式：遂道电 流不变， 流不变，记录针尖的 上下运动轨迹。 上下运动轨迹。
ATM（四）ATM（四）-工作原理
• 恒力模式：保持作用力（即微悬臂的形变） 不变，记录针尖上下运动轨迹，即获得表面 形貌。使用最广泛。 • 恒高模式：保持高度不变，直接测量微悬臂 的形变量。限制：对样品表面要求很高。
ATM（ ATM（五）-系统结构
ATM（ ATM（六）-微悬臂
不带针尖的 SiO2微悬臂 问题：易造 成多点接触
STM（ STM（四）-隧道效应
金属-真空金属-真空-金属 隧道结模型： 隧道结模型： 金属之一代表 STM的针尖 的针尖， STM的针尖， 另一代表被测样 品， 简化假设： 简化假设：针尖 和样品的逸出功 相同（ 相同（φ）
一维的金属-真空一维的金属-真空-金属隧道结
STM（ STM（五）-隧道电流
STM（九）STM（九）-图像解释
• 图像信息： –隧道电流→样品表面费米能级附近的局域态密度→样品 表面的局域电子结构和遂穿势垒的空间变化。与原子核 位置，即原子的高低没有直接关系。 –另外：STM针尖也有影响，即其电子结构影响了成像结 果。 • 图像起伏并不直接反映表面原子核的位置
STM（十）STM（十）-图像解释
第二章 纳米材料的表征方法
之STM和AFM STM和
扫描隧道显微镜（STM）（一） 扫描隧道显微镜（STM）（一 ）（
STM（Scanning Tunneling Microscopy） 发明者： Dr. G.Binning, Dr. H.Rohrer
IBM苏黎世实验室，1978年开始， 1982年，获得CaIrSn4单晶单原子台阶像 1983年，获得第一张，Si(111)-7×7表面重构像 1986年，两位博士与E.Ruska一起，获Nobel物理学奖
• 针尖电子态的影响 –样品电子态和针尖电子态的卷积决定了隧道电流。因 此，STM图像由样品表面和针尖两者的局域电子态决 定。 • STM成像的倒易原理： –针尖和样品之间是微观对称的，两者之间的电子发生 相互作用，并进行交换。 –或者用针尖态来探测样品态，或者用样品态来探测针 尖态
STM应用（十二） STM应用（十二）-表面结构观测 应用
ATM（ ATM（二）- 应用
表面结构观测：原子级空间分辨率，表面物理和 化学过程，生物体系。 纳米结构加工：操纵原子和分子，制备纳米尺度 的超微结构和信息存储。 力学性能研究：硬度、弹性、塑性等 表面微区摩擦性质研究
ATM（三）ATM（三）-作用力
相互作用力：对力敏感的探针与样品之间的相 互作用力，非常微弱，约10-8∼10-6N。 虎克定律：F=K∗∆Z。 F为样品和针尖之间的作用力，K为微悬臂 的力常数，∆Z微悬臂的形变。 F与样品之间的作用力与距离直接相关。