【实验一】扫描探针显微镜(SPM)

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
2015/7/28
分析测试中心
扫描探针显微镜SPM (scanning Probe Microscopy)
DFM Dynamic Force Microscopy AFM Atomic Force Microscopy) （（
2015/7/28 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
自由振荡
2015/7/28 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。
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表面粗糙度（RMS均方根粗糙度）
RMS : 2.321nm
2015/7/28 分析测试中心
RMS: 15nm
薄膜厚度测量
2015/7/28
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思考题




1. 扫描探针显微镜主要由哪五个部分组成, 叙述扫描探针显微镜的工作原理。 2. SEM、TEM、SPM在样品形貌分析方面 有何异同之处。 3. 光杠杆式原子力显微镜探测针尖与样品 表面的接触力的原理是什么? 4. STM、AFM及DFM各自的特点。 5 扫描探针对样品的表面有什么要求
2015/7/28
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原子力显微镜 （AFM）（Atomic Forces microscopy）
2015/7/28
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四象限探测器探测针尖形变的原理
II III
I
IV
针尖z方向的形变量可用上下象限的光强差精确得到 光斑位移量s可通过
I I I III I IV
2015/7/28
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原子力显微镜（AFM）特点
优点：1.可测量导体、绝缘体的表面形貌 2.所得样品形貌清晰 3.控制针尖对样品的压力和样品的形变获 得力学曲线，研究样品表面的力学特性 4.利用针尖与样品的横向形变大小，研究 样品表面的摩擦特性 缺点：1.对样品表面损害较大 2.不适合扫描表面柔软的样品。
扫描探针(spm)显微镜
胡海龙
2015/7/28
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wenku.baidu.com微镜介绍
扫描探针显微镜(spm)：利用末端半径为纳米级的微小探 针，利用探针与样品表面之间的相互作用，以扫描的方式 对样品表面的三维形貌进行分析的一类显微镜。 与样品表面超近距离相互作用，触摸成像，横向分辨率 0.1nm，纵向为0.01nm。
原动 子态 力力 显显 微微 镜镜
STM Scanning Tunneling Microscopy)
（扫 描 隧 道 显 微 镜
2015/7/28
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）
扫描隧道显微镜（STM）
工作原理：保持 隧道电流的值恒 定。
2015/7/28
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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 表面的局域电子态密度在能量空间上的分布 信息。 缺点：只能在导电物体表面上测量
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2015/7/28
I I I III I IV
得到，并且可通过光杠杆原理得到针尖的形变量
s
d
2015/7/28 分析测试中心
原子力显微镜AFM成像的机制
针尖与样品表面一直接触，通过针尖的形变量，针尖与样品之间的距 离大小。 针尖在扫描过程中会拖拽样品，产生额外的横向力（摩擦力） 容易将弱吸附在表面的样品扫走
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。
2015/7/28 分析测试中心
相位像成像——样品表面倾斜角度不同
2015/7/28
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动态力显微镜（DFM)特点
优点：1.对样品表面伤害较小 2.适合扫描表面柔软的样品
2015/7/28
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扫描探针显微镜（SPM）的应用


3维形貌表征 表面形貌剖面分析（高度和宽度） 表面分析（粗糙度：Ra平均粗糙度，RMS均方根粗糙度） 薄膜厚度测量
2015/7/28
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3维形貌表征
2015/7/28
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表面形貌剖面分析（高度和宽度）
2015/7/28