扫描探针显微镜实验报告
研究生读书报告---纳米制造之扫描探针显微镜
2维
图像
直观
三代显微镜的观察范围及典型物体
扫描隧道电子显微镜
1981年，IBM公司的G. Binning和H. Rohrer根据电子的隧道效应发明了扫描 隧道电子显微镜（Scanning Tunneling Microscope, STM），获1986诺贝尔 物理奖。 目前，人们可以利用扫描隧道电子显微镜来观察原子、分子和直接操纵安排 原子。至今，具有最高的分辨率。Z轴分辨率达到0.01 nm。
第二代为电子显微镜
20世纪三十年代早期卢斯卡 (E.Ruska)发明了电子显微镜， 使人类能”看”到病毒等亚微 米的物体，它与光学显微镜一 起成了微电子技术的基本工具。
第三代为扫描探针显微镜 也可简称为纳米显微镜。1981 年比尼格和罗勒发明了扫描隧 道显微镜(STM)，使人类实现 了观察单个原子的原望；1985 年比尼格应奎特(C.F.Quate) 发明了可适用于非导电样品的 原子力显微镜(AFM)，也具有 原子分辨率，与扫描隧道显微 镜一起构建了扫描探针显微镜 (SPM)系列。
扫描探针显微镜发展与展望
目前，STM/AFM已不仅仅限于观察原子排列了，而已深深渗入微电子 技术、生物技术、基因工程、生命科学、材料科学、表面技术、信息技 术和纳米技术等各种尖端科学领域。尤其是用STM/AFM来操纵单原子、 单分子技术，将使人类从目前的微米尺度上对材料的加工迅速跨入到纳 米尺度、原子尺度上的加工，完成单分子、单原子、单电子器件的制作， 从而导致相关学科高速发展。在信息科学上，STM/AFM使信息存储量大 幅度提高；在生命科学中，STM完成物种再造；在材料科学中，STM/AFM 创造新原子结构材料，并可实现纳米机械加工设备。可以说STM/AFM在 微电子学、微机械学、计量学、化学和生物医学等领域中有广泛的应用 前景。 同时，对检测结果有待于进一步探讨，如针尖效应、体与面的差 别，所以有待于进一步的开发和研究。随着STM/AFM技术的发展，可以 根据用户的需要开展新的领域探索：如除了形貌成像外，STM/AFM希望 还能探测电磁、摩擦和毛细力等不同相互作用力。
扫描电镜实验报告记录
扫描电镜实验报告记录————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：HUNAN UNIVERSITY姓名：扫描电镜实验报告姓名：高子琪学号： 201214010604一.实验目的1.了解扫描电镜的基本结构与原理；2.掌握扫描电镜样品的准备与制备方法；3.掌握扫描电镜的基本操作并上机操作拍摄二次电子像；4.了解扫描电镜图片的分析与描述方法。
二．实验设备及样品1.实验仪器：D5000-X衍射仪基本组成：1）电子光学系统：电子枪、聚光镜、物镜光阑、样品室等2）偏转系统：扫描信号发生器、扫描放大控制器、扫描偏转线圈 3）信号探测放大系统4）图象显示和记录系统5）真空系统2.样品：块状铝合金三.实验原理1.扫描电镜成像原理从电子枪阴极发出的电子束，经聚光镜及物镜会聚成极细的电子束（0.00025微米-25微米），在扫描线圈的作用下，电子束在样品表面作扫描，激发出二次电子和背散射电子等信号，被二次电子检测器或背散射电子检测器接收处理后在显象管上形成衬度图象。
二次电子像和背反射电子反映样品表面微观形貌特征。
而利用特征X射线则可以分析样品微区化学成分。
扫描电镜成像原理与闭路电视非常相似，显像管上图像的形成是靠信息的传送完成的。
电子束在样品表面逐点逐行扫描，依次记录每个点的二次电子、背散射电子或X射线等信号强度，经放大后调制显像管上对应位置的光点亮度，扫描发生器所产生的同一信号又被用于驱动显像管电子束实现同步扫描，样品表面与显像管上图像保持逐点逐行一一对应的几何关系。
因此，扫描电子图像所包含的信息能很好地反映样品的表面形貌。
2.X射线能谱分析原理X射线能谱定性分析的理论基础是Moseley定律，即各元素的特征X射线频率ν的平方根与原子序数Z成线性关系。
同种元素，不论其所处的物理状态或化学状态如何，所发射的特征X射线均应具有相同的能量。
扫描探针显微镜实验教案
1.绪论
自有人类文明以来，人们就一直为探索微观世界的奥秘而不懈的努力。1674 年，荷兰人列文虎 克利用透镜对光线的折射发明了世界上第一台光学显微镜，并利用这台显微镜首次观察到了血红细 胞，从而开启了人类使用仪器来研究微观世界的纪元。光学显微镜的出现，开阔了人们的观察视野， 但是光的波动性产生的衍射效应，在可见光范围内光学显微镜的极限分辨率只能达到 300nm。而对微 观世界的研究，几百纳米的分辨率是远远不够的。1931 年德国科学家恩斯特·鲁斯卡利用电子透镜可 以使电子束聚焦的原理和技术，成功地发明了电子显微镜。电子显微镜一出现即展现了它的优势，电 子显微镜的放大倍数提高到上万倍，在电子显微镜下，可以看到细胞小的多的病毒，分辨率达到了 10-8 米。现代高分辨透射电子显微镜（transmission electron microscope,TEM）分辨率优于 0.3nm，晶 格分辨率可达 0.1~0.2nm，人们的视觉本领得到了进一步的延伸。
2.1 隧道效应 ............................................................................................................................................ 6 2.2 压电效应与压电扫描管........................................................................................ 6 2.3 隧道针尖 ........................................................................................................................................... 7 2.4 电子学控制系统 ................................................................................................................................ 7 2.5 扫描隧道显微镜的工作原理............................................................................................................. 8 2.6 用扫描隧道显微镜扫描导电光栅..................................................................................................... 9 2.7 实验思考题 ...................................................................................................................................... 10 3．原子力显微镜 ...........................................................................................................................................11 3.1 原子间作用力 ...................................................................................................................................11 3.2 原子力显微镜的硬件架构............................................................................................................... 12
扫描隧道显微镜实验报告
扫描隧道显微镜【摘要】本实验利用化学腐蚀法制作STM 针尖，再利用所得针尖进行恒电流模式扫描，以得出样品高定向热解石墨（HOPG ）的扫描图像，经过图像除干扰处理，最后得出电压灵敏度分别为21.20(ÅV ⁄)和29.35(ÅV ⁄)。
【关键词】STM ，恒电流，扫描【引言】扫描隧道显微镜亦称为“扫描穿隧式显微镜”、“隧道扫描显微镜”，简称为STM 。
STM 技术的诞生使在纳米尺度范围探测材料的表面特征成为可能,STM 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化性质，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泛的应用前景，是国际公认的20世纪80年代世界十大科技成就之一。
【实验原理】扫描隧道显微镜是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。
它是用一个极细的尖针，针尖头部为单个原子去接近样品表面，当针尖和样品表面靠得很近，即小于１纳米时，针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠。
此时若在针尖和样品之间加上一个偏压，电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级１０Ａ的隧道电流。
通过控制针尖与样品表面间距的恒定，并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就可将表面形貌和表面电子态等有关表面信息记录下来。
如图1所示，φ0为矩形势垒的高度，E 为粒子动能，则该粒子穿透厚度为z 的势垒几率P 可用下式表示：P (z )∝e −2kz，其中k =1ℏ√2m (φ0−E )。
STM 技术的核心就是一个能在表面上扫描并与样品间有一定偏置电压的针尖。
当图 1 典型矩形势垒的隧穿几率函数样品和探针的距离非常近时，在外加电场的作用下，电子就会穿过两个电极间的势垒从一个电极流向另一个电极，通过记录隧道电流的变化就可以得到有关样品表面的形貌信息。
而隧道电流可用下式表示：I=V b exp(−AΦ12s)其中，V b是加在针尖和样品之间的偏置电压，Φ≈12(Φ1+Φ2)，Φ1和Φ2分别为针尖和样品的功函数，A为常数，在真空条件下约等于1.STM针尖工作方式可分为恒高和恒电流两种模式。
扫描隧道显微镜(STM)实验报告
实验报告姓名小编班级01**101 学号011**01** 组别实验日期2011-11-23课程名称大学物理实验同实验者指导教师成绩扫描隧道显微镜（STM）一．实验目的1掌握和了解量子力学中的隧道效应的基本原理。
2学习和了解扫描隧道显微镜的基本结构和基本实验方法原理。
3基本了解扫描隧道显微镜的样品制作过程、设备的操作和调试过程，并最后观察样品的表面形貌。
4正确使用AJ—1扫描隧道显微镜的控制软件，并对获得的表面图像进行处理和数据分析。
二．实验仪器AJ—1型扫描隧道显微镜；P-IV型计算机；样品（高序石墨）；金属探针及工具。
三．实验原理1．隧道电流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（如图3）。
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，也就是说，粒子可以穿过比它的能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应，它是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，这种效应才会显著。
经计算，透射系数（1）由式中可见，透射系数T与势垒宽度a、能量差（V0-E）以及粒子的质量m有着很敏感的依赖关系，随着a的增加，T将指数衰减，因此在宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势垒的现象。
扫描隧道显微镜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时（通常小于1 nm），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。
隧道电流I是针尖的电子波函数与样品的电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S和平均功函数Φ有关（2）式中Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数，Φ1和Φ2分别为针尖和样品的功函数，A为常数，在真空条件下约等于1。
隧道探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂—铱丝等，被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流。
扫描隧道显微镜实验报告
一、实验目的1.采用探针扫描显微镜进行微纳米级表面形貌测量。
2。
了解扫描探针显微镜的工作原理并熟悉原子力显微镜的操纵。
二、实验设备原子力显微镜、光盘块、装有SPM Console在线控制软件和Image后处理软件的计算机。
三、实验基础原子力显微镜（Atomic Force Microscope ，AFM）,一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。
原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定,带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。
利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息.激光检测原子力显微镜(Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection, Laser-AFM)——扫描探针显微镜家族中最常用的一种为例，其工作原理如图1所示。
二极管激光器（Laser Diode）发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂（Cantilever）背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器(Detector）.在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。
在系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的距离始终保持在纳米（10e-9米）量级，距离太大不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品，反馈回路（Feedback)的作用就是在工作过程中，由探针得到探针-样品相互作用的强度,来改变加在样品扫描器垂直方向的电压，从而使样品伸缩，调节探针和被测样品间的距离,反过来控制探针样品相互作用的强度,实现反馈控制。
(精选)扫描探针显微镜实验报告
扫描探针显微镜【目的要求】1.学习和了解扫描探针显微镜的结构和原理；2.把握扫描探针显微镜的模式之一---扫描隧道显微镜的操作和调试进程，并以之来观看样品的表面形貌；3.学习用运算机软件来处置原始数据图像。
【仪器用具】扫描探针显微镜、针尖、运算机、光栅样品【原理】扫描探针显微镜是继光学显微镜和电子显微镜进展起来后的第三代显微镜。
80年代初期，IBM公司苏黎世实验室的和发明了扫描隧道显微镜，它的分辨率达到纳米。
STM的诞生，令人类第一次在实空间观测到了原子，并能够在超高真空超低温的状态下操纵原子。
在STM的基础上，又发明了原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等等，这些显微镜都统称扫描探针显微镜。
因为它们都是靠一根原子线度的极细针尖在被研究物质的表面上方扫描，检测搜集针尖和样品间的不同物理量，以此取得样品表面的形貌图像和一些有关的电化学特性。
如：扫描隧道显微镜检测的是隧道电流，原子力显微镜镜测试的是原子间彼此作使劲等等。
光学显微镜和电子显微镜都称之为远场显微镜，因为相对来讲样品离成像系统有比较远的距离。
成像的图像好坏大体取决于仪器的质量。
而扫描探针显微镜的工作原理是基于微观或介观范围的各类物理特性，探针和样品之间只有2-3埃的距离，会产生彼此的作用，是一种彼此阻碍的耦合体系。
咱们称它为近场显微镜。
它的成像质量不单单取决于显微镜本身，专门大程度上受样品本身和针尖状态的阻碍。
因此，咱们在利用这一类的仪器时，要想取得好的图像，关键是要学会分析判定各类图像及现象的产生缘故，然后通过调整参数，取得相对好的图像。
2. 扫描探针显微镜的大体结构(1) 减振系统是仪器有效取得原子图像的必要保证。
有效的振动隔离是STM达到原子分辨率所严格要求的一个必要条件，STM原子图像的典型起伏是埃，所之外来振动的干扰必需小于埃。
有两类振动是必需隔离的：振动和冲击。
振动一样是重复性和持续性的，而冲击那么是瞬态转变的，在二者当中，振动隔离是最要紧。
扫描探针显微镜实验报告
实验报告课程名称电镜技术成绩姓名学号实验日期2013.4.24 实验名称扫描探针显微镜指导教师一、实验目的与任务1.了解扫描电镜的发展历程及分类2.学习并了解扫描探针显微镜的结构及原理3.掌握扫描探针显微镜的操作步骤4.了解扫描探针显微镜的应用二、实验基本原理1.扫描探针显微镜的发明背景1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛·宾尼博士和海·罗雷尔博士及其同事们共同研制成功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,以下简称STM）。
在STM出现以后，又陆续发展了一系列工作原理相似的新型显微技术，包括原子力显微镜（Atomic Force Microscope,以下简称AFM）、横向力显微镜（Lateral Force Microscope,以下简称LFM）等，这类基于探针对被测样品进行扫描成象的显微镜统称为扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope,以下简称SPM）。
2.STM概述（1）STM出现的意义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和与表面电子行为有关的物理、化学性质。
STM不仅具有很高的空间分辨率（横向可达0.1nm，纵向优于0.01nm），能直接观察到物质表面的原子结构；而且还能对原子和分子进行操纵，从而将人类的主观意愿施加于自然。
可以说STM是人类眼睛和双手的延伸，是人类智慧的结晶。
（2）STM的优点具有原子级高分辨率；可实时地得到在真实空间中表面的三维图象；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；利用针尖可以搬迁和操纵单个原子。
（3）STM 的局限性在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。
扫描探针显微镜
扫描探针显微镜【摘要】纳米测量是纳米科学的重要分支和基础学科。
以扫描探针显微镜（STM）为代表的非光学纳米测量方法能够实现纳米甚至亚纳米的测量分辨率，是非常重要且实用的纳米级精密测量仪器，本篇文章对其进行详细介绍。
【关键字】扫描探针显微镜精密测量纳米尺度【引言】纳米科学是在纳米（10-9m）和原子（10-10m）的尺度上（1nm～100nm）研究物质的特性、物质相互作用及如何利用这些特性的多学科交叉的前沿科学与技术。
随着科学的发展，它涉及到越来越广泛的内容，其中纳米测量技术是纳米科学的一个重要分支。
例如：半导体工业中的高精度模版的制造和定位，高精度传感器的标定；在科学研究中的量子物理学、化学、分子生物学等都需要很高的测量精度。
因此无论是对国民经济各部门还是军事应用领域等，纳米测量都有着巨大意义。
目前，能够进行纳米测量的方法主要有：非光系方法和光学方法两大类。
前者包括：SPM 法，电容、电感测微法；后者则包括：X光干涉仪法、各种形式的激光干涉仪法和光学光栅等方法。
以扫描探针显微镜（STM）为代表的非光学纳米测量方法能够实现纳米甚至亚纳米的测量分辨率，是非常重要且实用的纳米级精密测量仪器，本篇文章将对其进行详细介绍。
【正文】1.扫描探针显微镜简介扫描探针显微镜是继光学显微镜和电子显微镜发展起来后的第三代显微镜。
80年代初期，IBM公司苏黎世实验室的G.Binning 和H.Rohrer发明了扫描隧道显微镜，它的分辨率达到0.01纳米。
STM的诞生，使人类第一次在实空间观测到了原子，并能够在超高真空超低温的状态下操纵原子。
在STM的基础上，又发明了原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等等，这些显微镜都统称扫描探针显微镜。
因为它们都是靠一根原子线度的极细针尖在被研究物质的表面上方扫描，检测采集针尖和样品间的不同物理量，以此得到样品表面的形貌图像和一些有关的电化学特性。
如：扫描隧道显微镜检测的是隧道电流，原子力显微镜镜测试的是原子间相互作用力等等。
扫描电镜显微分析报告
扫描电镜显微分析实验报告一、实验目的1、了解扫描电镜的基本结构和原理。
2、掌握扫描电镜试样的制备方法。
3、了解扫描电镜的基本操作。
4、了解二次电子像、背散射电子像和吸收电子像，观察记录操作的全过程及其在组织形貌观察中的应用。
二、实验内容1、根据扫描电镜的基本原理，对照仪器设备，了解各部分的功能用途。
2、根据操作步骤，对照设备仪器，了解每步操作的目的和控制的部位。
3、在老师的指导下进行电镜的基本操作。
4、对电镜照片进行基本分析。
三、实验设备仪器与材料Quanta 250 FEG 扫描电子显微镜四、实验原理（一）、扫描电子显微镜的基本结构和成像原理扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope,简称SEM）是继透射电镜之后发展起来的一种电子显微镜简称扫描电镜。
它是将电子束聚焦后以扫描的方式作用样品，产生一系列物理信息，收集其中的二次电子、背散射电子等信息，经处理后获得样品表面形貌的放大图像。
扫描电镜主要由电子光学系统；信号检测处理、图像显示和记录系统及真空系统三大系统组成。
其中电子光学系统是扫描电镜的主要组成部分，主要组成：电子枪、电磁透镜、光栏、扫描线圈、样品室等，其外形和结构原理如图1所示。
由电子枪发射出的电子经过聚光镜系统和末级透镜的会聚作用形成一直径很小的电子束，投射到试样的表面，同时，镜筒内的偏置线圈使这束电子在试样表面作光栅式扫描。
在扫描过程中，入射电子依次在试样的每个作用点激发出各种信息，如二次电子、背散射电子、特征X射线等。
安装在试样附近的探测器分别检测相关反应表面形貌特征的形貌信息，如二次电子、背散射电子等，经过处理后送到阴极射线管（简称CRT）的栅极调制其量度，从而在与入射电子束作同步扫描的CRT上显示出试样表面的形貌图像。
根据成像信号的不同，可以在SEM的CRT上分别产生二次电子像、背散射电子像、吸收电子像、X射线元素分布图等。
本实验主要介绍的二次电子像和背散射电子像。
【实验一】扫描探针显微镜(SPM)解析
2020/10/29
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
2020/10/29
自由振荡
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。
STM Scanning Tunneling Microscopy)
（扫 描 隧 道 显 微 镜
2020/10/29
扫描隧道显微镜（STM）
工作原理：保持 隧道电流的值恒 定。
2020/10/29
分析测试中心
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
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。
2020/10/29
分析测试中心
相位像成像——样品表面倾斜角度不同
2020/10/29
分析测试中心
动态力显微镜（DFM)特点
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
2020/10/29
分析测试中心
）
原动 子态 力力 显显 微微 镜镜 （（
分析测试中心
扫描探针显微镜SPM (scanning Probe Microscopy)
第六章扫描探针显微分析
-铱合金丝 铂-铱合金丝
满足STM仪器刚性的要求， 满足STM仪器刚性的要求，但在 STM仪器刚性的要求 水溶液中或暴露在空气中时， 水溶液中或暴露在空气中时， 容易形成表面氧化物， 容易形成表面氧化物，通常需 用电化学腐蚀法处理
在铂中加入少量铱， 在铂中加入少量铱，铂保 留了不易被氧化的特性外， 留了不易被氧化的特性外， 其刚性也得到了增强 16
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样品表面原本束缚的电子由于隧道效应，可以穿 样品表面原本束缚的电子由于隧道效应， 隧道电流。 过针尖和样品之间的势垒，形成隧道电流 过针尖和样品之间的势垒，形成隧道电流。
STM的针尖 样品相互作用示意图 的针尖~样品相互作用示意图 的针尖
13
隧道电流：
I ∝ V b exp( − A Φ S )
21
（2）恒定电流模式－检测高度变化 ）恒定电流模式－
初始的隧道电流设为一恒定值，当样品表面凸起时， 初始的隧道电流设为一恒定值，当样品表面凸起时， 针尖就会向后退，以保持隧道电流的值不变； 针尖就会向后退，以保持隧道电流的值不变； 反之，当样品表面凹进时，针尖将向前移动。 反之，当样品表面凹进时，针尖将向前移动。系统记 录针尖上下移动的轨迹， 录针尖上下移动的轨迹，可给出样品表面的三维形貌 优点：可以高精度测量起伏较大表面 优点： 缺点： 缺点：比较耗时
5
SPM的缺憾：
需控制探针进行扫描成像，因此扫描速度受到限制， 需控制探针进行扫描成像，因此扫描速度受到限制， 测试效率较其他显微技术 较其他显微技术低 测试效率较其他显微技术低； 对样品表面的粗糙度有较高的要求。 对样品表面的粗糙度有较高的要求。扫描时扫描器随样 品表面起伏而伸缩， 品表面起伏而伸缩，若被测样品表面的起伏超出了扫描器 的伸缩范围，则系统无法正常工作甚至损坏探针。 的伸缩范围，则系统无法正常工作甚至损坏探针。 探针的几何宽度、 探针的几何宽度、曲率半径及各向异性等会引起图像的 的几何宽度 失真 。
讲义实验四：扫描探针显微镜(扫描隧道显微镜)
可以产生隧道电流。
2．压电效应与压电扫描管
所谓压电效应是指某种类型的晶体在受到机械力发生形变时会产生电场，或给晶体加一
电场时晶体会产生物理形变的现象。许多化合物的单晶，如石英等都具有压电性质，但目前
广泛采用的是多晶陶瓷材料，例如钛酸锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3](简称 PZT)和钛酸钡等。当在压
电陶瓷加上对称电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短，也就是说，可以通过改变电
隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。经 计算，透射系数 T 为：
( ) T ≈ 16E V0 − E
− 2a
eh
2m(V0 −E )
V0
（4-1）
由式(1-1)可见，T 与势垒宽度a，能量差(V0 − E) 以及粒子的质量m 有着很敏感的关系。 随着势垒厚(宽)度a 的增加，T 将指数衰减，因此在一般的宏观实验中，很难观察到粒子隧 穿势垒的现象。
再次，SPM 的使用环境宽松。电子显微镜等仪器对工作环境要求比较苛刻，样品必须 安放在高真空条件下才能进行测试。而 SPM 既可以在真空中工作，又可以在大气中、低温、 常温、高温，甚至在溶液中使用。因此 SPM 适用于各种工作环境下的科学实验。
SPM 的应用领域是宽广的。无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料、 微电子等应用学科都有它的用武之地。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。SPM 的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较
会伸展或收缩(由电压的正负和压电陶瓷的极化方向决定)，导致陶瓷管向垂直于管轴的方向
弯曲。通过在相邻的两个电极上按一定顺序施加电压就可以实现在 x-y 方向的相互垂直移
扫描探针显微镜
扫描探针显微镜扫描探针显微镜（ScanningProbeMicroscope，SPM）是扫描隧道显微镜及在扫描隧道显微镜的基础上进展起来的各种新型探针显微镜（原子力显微镜AFM,激光力显微镜LFM，磁力显微镜MFM等等）的统称，是国际上近年进展起来的表面分析仪器，是综合运用光电子技术、激光技术、微弱信号检测技术、精密机械设计和加工、自动掌控技术、数字信号处理技术、应用光学技术、计算机高速采集和掌控及高辨别图形处理技术等现代科技成果的光、机、电一体化的高科技产品。
目录应用特点应用SPM的应用领域是宽广的。
无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料、微电子等应用学科都有它的用武之地。
SPM的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的。
同其它表面分析技术相比，SPM有着诸多优势，不仅可以得到高辨别率的表面成像，与其他类型的显微镜相比（光学显微镜，电子显微镜）相比，SPM扫描成像的一个巨大的优点是可以成三维的样品表面图像，还可对材料的各种不同性质进行讨论。
同时，SPM正在向着更高的目标进展，即它不仅作为一种测量分析工具，而且还要成为一种加工工具，也将使人们有本领在微小的尺度上对物质进行改性、重组、再造．SPM对人们认得世界和改造世界的本领将起着极大的促进作用。
同时受制其定量化分析的不足，因此SPM的计量化也是人们正在致力于讨论的另一紧要方向，这对于半导体工业和超精密加工技术来说有着非同一般的意义扫描隧道显微镜（STM）在化学中的应用讨论虽然只进行了几年，但涉及的范围已极为广泛。
由于扫描隧道显微镜（STM）的最早期讨论工作是在超高真空中进行的，因此最直接的化学应用是察看和记录超高真空条件下金属原子在固体表面的吸附结构。
在化学各学科的讨论方向中，电化学可算是很活跃的领域，可能是由于电解池与扫描隧道显微镜（STM）装置的相像性所致。
同时对相界面结构的再认得也是电化学家们长期关注的课题。
专用于电化学讨论的扫描隧道显微镜（STM）装置已研制成功。
扫描探针显微镜实验
扫描探针显微镜实验实验目的1、学习和了解并掌握扫描探针显微镜的工作原理和仪器结构；2、观测和验证量子力学中的隧道效应以及原子间相互作用力；3、学习扫描探针显微镜的操作和调试过程，并以之来观测样品的表面形貌；4、学习使用计算机软件Imager 4.6 处理原始图象数据。
实验原理：在科学发展史上直接观察原子、分子一直是人们长期以来梦寐以求的愿望。
1982年IBM 公司瑞士苏黎士研究实验室的葛·宾尼（Gerd Bining）和海·罗雷尔（Heinrich Roher）研制出一种新型显微镜--扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelling Microscope，简称STM），终于使这一愿成为现实。
这种新型显微仪器的诞生，使人类能够实时地观测到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，对表面科学、材料科学、生命科学以及微电子技术的研究有着重大意义和广泛的应用前景。
被国际科学界公认为20世纪80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所作出的杰出贡献，宾尼和罗雷尔两位科学家与电子显微镜的创制者ERrska教授一起被授予1986年诺贝尔物理奖。
原子的概念至少可以追溯到一千年前的德莫克利特时代，但在漫长的岁月中，原子还只是假设而并非可观测到的客体. 人的眼睛不能直接观察到比10-4 m更小的物体或物质的结构细节，光学显微镜使人类的视觉得以延伸，人们可以观察到像细菌、细胞那样小的物体，但由于光波的衍射效应，使得光学显微镜的分辨率只能达到10-7 m电子显微镜的发明开创了物质微观结构研究的新纪元，扫描电子显微镜（SEM ）的分辨率为10-9 m ，而高分辨透射电子显微镜（HTEM ）和扫描透射电子显微镜STEM ）可以达到原子级的分辨率——0.1nm ，但主要用于薄层样品的体相和界面研究，且要求特殊的样品制备技术和真空条件．场离子显微镜（FIM ）是一种能直接观察表面原子的研究装置，但只能探测半径小于 100 nm 的针尖上的原子结构和二维几何性质，且样品制备复杂，可用来作为样品的材料也十分有限. X 射线衍射和低能电子衍射等原子级分辨仪器，不能给出样品实空间的信息，且只限于对晶体或周期结构的样品进行研究．扫描隧道显微镜的问世使得人类直接观测微观世界的大门被打开。
扫描电镜组织观察及电子探针的应用
扫描电镜组织观察及电子探针的应用一、实验目的1. 了解扫描电镜的结构及工作原理。
2．通过实际分析, 明确扫描电镜和电子探针仪的用途。
二、结构与工作原理简介1.扫描电子显微镜(Scanning Electronic Microscopy, SEM)扫描电子显微镜(是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观性貌观察手段, 扫描电镜的优点是, ①有较高的放大倍数, 20-30万倍之间连续可调；②有很大的景深, 视野大, 成像富有立体感, 可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构；③试样制备简单。
目前的扫描电镜都配有X射线能谱仪装置, 这样可以同时进行显微组织性貌的观察和微区成分分析, 因此它像透射电镜一样是当今十分有用的科学研究仪器。
扫描电子显微镜是由电子光学系统, 信号收集处理、图象显示和记录系统, 真空系统三个基本部分组成。
其中电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室。
扫描电子显微镜中的各个电磁透镜不做成相透镜用, 而是起到将电子束逐级缩小的聚光作用。
一般有三个聚光镜, 前两个是强磁透镜, 可把电子束缩小；第三个透镜是弱磁透镜, 具有较长的焦距以便使样品和透镜之间留有一定的空间, 装入各种信号接收器。
扫描电子显微镜中射到样品上的电子束直径越小, 就相当于成相单元的尺寸越小, 相应的放大倍数就越高。
扫描线圈的作用是使电子束偏转, 并在样品表面做有规则的扫动。
电子束在样品上的扫描动作和显相管上的扫描动作保持严格同步, 因为它们是由同一个扫描发生器控制的。
电子束在样品表面有两种扫描方式, 进行形貌分析时都采用光栅扫描方式, 当电子束进入上偏转线圈时, 方向发生转折, 随后又有下偏转线圈使它的方向发生第二次转折。
发生二次偏转的电子束通过末级透镜的光心射到样品表面。
在电子束偏转的同时还带用逐行扫描的动作, 电子束在上下偏转线圈的作用下, 在样品表面扫描出方形区域, 相应地在样品上也画出一帧比例图像。
扫描隧道显微镜实验报告
扫描隧道显微镜实验报告----------许亚娜 08180209【摘 要】： 通过用扫描隧道显微镜对石墨的表面形貌进行观测，加深对扫描显微镜的工作原理的了解、熟悉扫描显微镜的使用步骤和注意事项。
以及了解在测量时对图像影响的因素。
【关键词】： 扫描隧道、针尖、隧道电流【引 言】：扫描隧道显微镜 scanning tunneling microscope 缩写为STM 。
它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。
此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K ）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。
STM 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化性质，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泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。
实验整体过程的介绍：先简单介绍一起各部分的工作原理隧道电流：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，也就是说，粒子可以穿过比它的能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应，它是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，这种效应才会显著。
在量子力学理论中，电子具有波动性，其位置是弥散的，在()V r E >的区域，薛定谔方程：()()()()22/2r h m V V r r e ψ⎡⎤-+ψ=⎣⎦的解不一定是零（如果V 不是无限大的话）。
因此一个入射粒子穿透一个()V r E >的有限区域的几率是非零的，所以物质表面上的一些电子会散逸出来，在样品四周形成电子云。
在导体表面上之外空间的某一位置发现电子的几率会随这个位置与表面距离的增大而呈现指数形式的衰减。
实验三 扫描探针显微镜的构造及形貌分析
实验三 扫描探针显微镜的构造及形貌分析一、目的要求1.了解扫描探针显微镜的结构和构成以及其所包含的功能2.了解扫描探针显微镜的实验条件3.掌握扫描探针显微镜的成像原理及成像条件4.掌握扫描探针显微镜的样品前处理5.学会分析扫描探针显微镜的数据结果二、扫描探针显微镜的基本结构和工作原理1.扫描探针显微镜的基本结构扫描探针显微镜大体由探针、激光光路，扫描头、反馈与扫描控制电路，与数据采集和显示系统组成。
⑴探针：探针是扫描探针显微镜中探测样品表面信息的一个探头，其末端半径非常小。
扫描探针显微镜为一个有弹性很好的水平微悬臂支撑的金字塔型晶体针尖，一般在扫描探针工作的时候，针尖末端距离样品表面的距离只有几个埃左右，其与样品之间的相互作用力为范德华作用力，随着距离的变化迅速衰减。
四象限光电位置探测器实际由四个光电探测器组成，每个探测器为一个象限；当激光灯打在四象限位置探测器上，每一个象限将会接收到光信号，并且将一定强度的光信号转换为相应大小的电信号，通过四个象限的光强之差的大小，可探知光斑中心的位置，其中上两个象限（A 和B ）与下两个象限（C 和D ）的相对光强差（DIF 值）的大小代表了光斑在垂直方向上偏离中心的偏离量。
表示了悬臂的垂直弯曲量，左象限（B 和C ）与右象限（A 和D ）相对光强差（FFM 值）代表光斑水平偏离中心的偏离量，表示悬臂的横向扭曲量。
其探测针尖悬臂形变的原理为：整个激光光路系统是一个光杠杆放大器，当针尖与样品间的距离边小时，其相互作用力变大，导致针尖悬臂产生微小的形变。
针尖的微小形变导致了由针尖反射到检测器（四象限探测器）的激光光斑中心发生了偏移，由于整个光路的长度是针尖悬臂长度的几百到上千倍，所以整个光路将针尖微小的形变放大了上千倍，所以整个光路将针尖微小的形变放大了上千倍，达到了微米级四象限探测器可以将光斑中心离距离探测器中心的距离线性的 B A C D转化成电压，并且这种微米级的光斑移动可以被四象限检测器轻易检测到。
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实验报告
（2）STM的优点
具有原子级高分辨率；可实时地得到在真实空间中表面的三维图象；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；利用针尖可以搬迁和操纵单个原子。
（3）STM 的局限性
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。
（4）STM的基本原理
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。
隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电流即增加约一个数量级。
因此，根据隧道电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，如果同时对x-y方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。
（5）STM的基本结构
STM 仪器由具有减振系统的STM 头部(含探针和样品台)、电子学控制系统和计算机组成。
（6）STM的应用
扫描图像；操纵单一分子或原子；. I-V曲线测定、信息存储。
3.AFM概述
（1）AFM原理及结构
AFM的装置和STM一样，AFM也有：振动隔绝系统；机械系统；针尖系统；电子系统和计算机系统几个大的部分组成。
（2）AFM的应用
纳米材料的形貌测定；纳米尺度的物性测量；生物材料的研究；纳米结构加工。
4.SPM概述
（1）SPM的原理
利用压电材料，将电压转变为位移，控制探针在纳米级的距离上对被测样品的表面进行扫描，同时记录扫描过程中探针和样品的相互作用，从而得到样品的表面信息。
（2）扫描探针显微镜（SPM）与其他显微镜技术的各项性能指标比较
四、实验结果及数据处理
此图扫描事业面积为2μm×2μm,图中棕黄色的部
分代表为平整的硅板面，金黄色的点状部分代表堆
积的锗粒子，点越亮代表锗粒子堆积的高度越高，
反之则越低。
此图所示为立体三维图
如此图所示，样品中该锗粒子上下两边的高度分别为：Z1=10.37531nm ，Z2=17.32571nm，高度差△Z=6.950402nm，两点间距离为32.39466nm，两点间角度差为12.10945°；左右两边的高度分别为Z1=10.00725nm ，Z2=10.25314nm，高度差△Z=0.245891nm，两点间距离为65.05928nm，两点间角度差为0.216548°。
所以，该锗粒子的直径约为65.05928nm，高度约为32.39466nm。
同时，此图有关的值：
Ra 平面光洁度2.395E+00 nm
P-V 最大高低差2.669E+01 nm RMS 均方面光洁度3.045E+00 nm RZ 10 点平均光洁度1.983E+00 nm S 表面积4.090E+06 nm2
S Ratio 表面力矩1.00758
Ra 断面中心线平均光洁度6.036E+01 nm P-V 最大高低差0.000E+00 nm
L 测定长度8.238E+02 nm
λ c cut off值4.570E+01 nm
△a 平均倾斜角 1.072E+01°Histogram Z值范围的频率分布1.18 Bearing Ratio Z值的最大值到Z值分布的累
积频率分布19.68。