扫描探针显微镜在纳米科技中的应用_商广义
扫描探针显微技术及其应用
扫描探针显微技术及其应用贺爽博【摘要】当今纳米科技时代,显微技术越来越成为一项不可或缺的研究手段.本文全面介绍了目前具有广泛应用的扫描探针显微技术,包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜,以及导电原子力显微镜、压电响应力显微镜和磁力显微镜等专用功能型的扫描探针显微技术.本文介绍了这些扫描探针显微技术的工作原理,并比较了它们在应用上的优缺点.【期刊名称】《电子世界》【年(卷),期】2017(000)020【总页数】2页(P145,147)【关键词】扫描探针显微技术;扫描隧道显微镜;原子力显微镜;发展综述【作者】贺爽博【作者单位】湖南师范大学附属中学【正文语种】中文在新物理的探索、电子器件微型化等因素的驱动下，物理、化学、材料等学科的研究早已进入到了微观（纳米）领域。
在纳米科技时代，人们已经发现了更多有趣的物理现象、更多性能优越的新型材料，也开发了更多新型器件的应用。
而这一切都离不开微观尺度表征手段的发展。
显微技术是纳米科技领域不可或缺的一种表征手段，它可以被用于观察纳米材料的表面形貌、内部结构，也可以被用来测量材料在纳米尺度的物理特性。
传统的光学显微镜由于阿贝极限的存在，很难用于观察纳米材料。
从上世纪30年代逐渐发展起来的电子显微镜，虽然具有很高的分辨率和比较完善的测试功能，但是它具有仪器庞大、昂贵，运行、维护成本高，高真空要求，样品准备工艺复杂，测试效率低等缺点。
相比之下，于上世纪80年代迅速发展起来的扫描探针显微技术，具有结构简单、易于操作、测试效率高等优势，因此，自其发明以来，就得到了广泛的关注和应用。
目前，人们已发明了诸多类型的扫描探针显微镜，包括主要用于表面材料的表面形貌和原子/分子结构的扫描隧道显微镜、原子力显微镜，以及针对具体物理性质测量功能而实现的导电原子力显微镜、压电响应力显微镜和磁力显微镜等。
[1-3] 本文综述了几种常见的扫描探针显微技术，包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜，以及基于原子力显微镜而实现的导电原子力显微镜、压电响应力显微镜和磁力显微镜。
扫描电子显微镜在纳米材料研究中的应用
二、纳米材料研究的意义
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度（1-100nm）的材料。 由于纳米材料具有尺寸效应、量子效应和表面效应等特殊性质，使得它们在能源、 生物医学、环境等领域具有广泛的应用前景。研究纳米材料的制备、性质和应用， 对于推动科学技术进步和社会发展具有重要意义。
三、扫描电子显微镜在纳米材料 研究中的应用
参考内容
扫描电子显微镜（SEM）是一种高分辨率、高倍率的电子光学仪器，适用于 观察和研究各种材料表面的微观结构和形貌。在无机材料分析中，SEM发挥着重 要的作用，可以帮助研究者深入了解材料的组成、结构和性质。本次演示将介绍 SEM的基本原理和特点，详细讲解SEM在无机材料分析中的应用，并指出使用SEM 时需要注意的问题。
3、技术参数选择：SEM的成像质量和技术参数选择密切相关。在实验过程中， 应根据样品的特性和研究目的选择合适的加速电压、工作距离、扫描速率等参数。
4、数据处理与分析：SEM通常配备有计算机控制系统和图像处理软件，可以 对采集到的信号进行定量分析和数据处理。应注意选择合适的分析方法，并综合 考虑多种因素对实验结果进行准确的评估。
1、形貌观察：SEM可以提供纳米材料的形貌图像，帮助研究者了解材料的颗 粒大小、形状、表面粗糙度等信息。例如，通过观察催化剂颗粒的形貌，可以优 化催化剂的制备工艺，提高催化性能。
2、成分分析：SEM可以结合能谱仪（EDS）对纳米材料进行成分分析。通过 EDS获取的元素分布图，可以了解不同元素在材料中的分布情况，为研究材料的 合成机理和性能提供依据。
5、失效分析：在机械零件失效分析中，扫描电子显微镜可以帮助研究者观 察到微小的裂纹、磨损痕迹等，从而找出失效的原因，为改进材料的性能和延长 使用寿命提供指导。
扫描探针显微镜的最新技术进展及应用
第19卷第1期2000年2月电 子 显 微 学 报Journa l of Ch i nese Electron M icroscopy Soc iety V o l 219,N o 112000202文章编号:100026281(2000)012006920075扫描探针显微镜的最新技术进展及应用赵清亮 王景贺 李 旦 董 申(哈尔滨工业大学精密工程研究所,哈尔滨150001)摘 要:本文在讨论SP M 基本原理和应用的基础上,详细介绍了近期SP M 的最新技术进展和成像模式以及拓展的应用领域,使我们能对SP M 有一个全新的认识和了解,以便把它们更好地应用到研究领域中。
关键词:扫描探针显微镜;原子力显微镜;表面应用;成像原理;工作模式分类号:TN 16 文献标识码:A 收稿日期:1998210220;修订日期:1998212225扫描探针显微镜(SPM s )是用来探测表面性质的仪器家族,是由B inn ig 和Roh rer 等人最早于1982年发明[1]。
虽然SPM 在目前可以测量许多表面的其它性质,但是揭示表面形貌一直是它的主要应用目的。
SPM 是我们这个时代中最为有力的表面测量工具,其测量表面特征的尺寸可以从原子间距到100微米之间变化。
随着1986年原子力显微镜(A FM )的出现[2],相继出现了许多同STM 和A FM 技术相似的新型扫描探针显微镜。
主要有扫描隧道电位仪(ST P )、弹道电子发射显微镜(B EE M )、扫描离子电导显微镜(S I C M )、扫描热显微镜(ST h M )、光子扫描隧道显微镜(PSTM )和扫描近场光学显微镜(SNOM )等[3],这些SPM 镜群的出现,极大地拓展了它们的应用空间。
以A FM 为代表的SFM (扫描力显微镜)是通过控制并检测针尖2样品间的相互作用力,例如原子间斥力、摩擦力、弹力、范德华力、磁力和静电力等来分析研究表面性质的,相应的扫描力显微镜有原子力显微镜(A FM )、摩擦力显微镜(L FM )、磁力显微镜(M FM )和静电力显微镜(EFM )等。
扫描探针显微镜系列及其应用综述
收稿日期:2002201218基金项目:陕西省自然科学基金资助项目(99C05)作者简介:田文超(19682),男,讲师,西安电子科技大学博士研究生.扫描探针显微镜系列及其应用综述田文超,贾建援(西安电子科技大学机电工程学院,陕西西安 710071)摘要:扫描探针显微镜将人类带入原子世界,使人类不仅能够观察到物质表面原子的排布情况,而且能够按照人类的意图实现原子操纵.回顾了扫描探针显微镜的历史,介绍了目前国际上各种系列的扫描探针显微镜基本原理、主要特点、研究现状和最新应用情况,重点介绍了原子操纵和生命科学、信息科学领域的应用,提出了扫描探针显微镜目前的研究方向.关键词:扫描探针显微镜;扫描隧道显微镜;原子力显微镜;原子操纵;纳米技术中图分类号:TH742 文献标识码:A 文章编号:100122400(2003)0120108205Overvie w of the mechanisms and applications of thescanning probe microscope seriesTIAN Wen 2chao ,JIA Jian 2yuan(School of E lectromechanical Engineering ,X idian Univ.,X i ′an 710071,China )Abstract : The Scanning Probe M icroscope (SP M ),which was invented for imaging the topographic at the atomiclevel ,becomes a method for manipulating the single atom and fabricating nanometer 2scale structures on the s olidsur face and for the realization of single 2atom and single 2electron devices.This capability makes it increasinglyattractive and power ful for use in diverse areas ,such as gene engineering ,life science ,material science ,biotechnology and sur face technology.The histories of the Scanning Probe M icroscopy are introduced in this paper ,followed by the principles ,characteristics ,actual conditions and applications.I ts applications in single atommanipulation ,life science and in formation science are em phasized.Finally the research directions are put forward.K ey Words : scanning probe microscope ;scanning tunneling microscope ;atomic force microscope ;single atommainpulation ;nanometer 2technology1981年,I BM 公司苏黎世研究所的物理学家G.Binning 和H.R ohrer 发明了扫描隧道显微镜(ST M )[1],观察到了Si (111)表面清晰的原子结构,使人类第一次进入原子世界,直接观察到了物质表面上的单个原子,1986年他们为此获得诺贝尔物理奖.1985年,G.Binning 在ST M 的理论基础上,又发明了原子力显微镜(AFM ),将观察对象由导体、半导体扩展到绝缘体.Ivan Amato 将AFM 比作为“纳米世界的选拍照相机”[2].在ST M 和AFM 的理论基础上,又相继发明了力调制显微镜(FM M )、相位检测显微镜(PDM )、静电力显微镜(EFM )、电容扫描显微镜(SC M )、热扫描显微镜(SThM )和近场光隧道扫描显微镜(NS OM )等各种系列显微镜.由于以上显微镜均是基于探针在被测试样表面上进行纵、横向扫描引起相关检测量变化的原理研制的设备,因此,国际上称以上各系列显微镜为扫描探针显微镜(SPM ).目前,SPM 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SPM 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,SPM 使信息存储量大幅度提高;在生命科学2003年2月第30卷 第1期 西安电子科技大学学报(自然科学版)J OU RNAL OF XID IAN UNIV ERS I TY Feb.2003V ol.30 N o.1中,SPM 完成物种再造;在材料科学中,SPM 创造新原子结构材料,并可实现纳米机械加工设备.可以说SPM 对推动人类科学技术和产业革命有无法估量的动力.我国科学技术部等五部委颁发的《国家纳米科技发展纲要(200122010)》中,将SPM 列为急需突破的关键技术.中科院化学所和物理所在SPM 领域作了大量工作,某些方面已处于国际领先水平.白春礼院士将SPM 比作为纳米的“眼”和“手”[3],利用SPM 观察原子、移动原子、构造纳米结构.该文介绍了各种系列的扫描探针显微镜基本原理、研究现状和国际进展及应用,重点介绍原子操纵和在生命科学、信息科学的应用,并提出了SPM 的研究方向.1 SPM 基本原理图1所示为SPM 原理简图[4].图中深色部分为被测试样面.当探针在水平方向进行扫描时,由于被测表面因原子排列而形成的“凸凹不平”,导致针尖在垂直方向有变化的ΔZ.由ΔZ 的变化引起在接触区域的力、电流、电容、热、光的变化,检测这些变化量导致各种系列的SPM 的产生.探针的水平扫描可达100μm ,垂直扫描可达4μm.探针多由Si,W 或Ni 材料制成.图1 SP M 原理简图图2 ST M 的基本原理图111 ST M 基本原理图2所示为ST M 的基本原理图.图中圆圈为原子,中间深色部分为原子核,周围浅色部分和分散的黑点为电子云.上面6个原子代表探针针尖,下面11个原子代表被测试样面.ST M 的基本原理是基于量子隧道效应.当针尖和试样面间距离足够小时(<014nm ),在针尖和试样面间施加一偏置电压,便会产生隧道效应,电子在针尖和试样面之间流动,形成隧道电流.在相同的偏置电压作用下,随着探针同试样面间的距离减小,隧道电流很快增大(可增大1～2个数量级),同时针尖原子和试样面原子的电子云部分重叠,使两者之间的相互作用大大增强.由于隧道电流随距离呈指数形式变化,因此,试样面上由于电子排列形成的“凸凹不平”表面导致隧道电流剧烈的变化.检测变化的隧道电流并经计算机处理,便能得到试样面的原子排列情况.A.John 和Jr.C owan [5]利用量子力学理论,推导出针尖同试样面相距X 的隧道电流为Ψ(x )=A exp (-i k x )+B exp (i k x ) . 目前ST M 的横向分辨率为011nm ,纵向分辨率可达0101nm ,隧道电流为1nA.由于ST M 是基于隧道效应,因此,ST M 的应用受到限制,只能观察导体和半导体材料制成的试样面.112 AFM 基本原理图3所示为AFM 原理示意图,在悬臂梁上装有微反射镜.图4为探针针尖同被测试样面接触处的示意图,图中小圆分别代表探针同接触面的原子,探针由凸起的试样面处扫描到凹下的试样面处.由于试样面原子排列产生“凸凹不平”,当探针在水平方扫描时,针尖同试样面间的距离在垂直方向便会产生变化.由固体物理学理论可知,当探针针尖同试样面很近时,其间会产生原子间力.针尖同试样面间垂直方向的变化距离导致针尖同试样面间原子间力的变化.变化的原子间力引起悬臂梁在垂直方向发生振动,因此,利用激光束的偏转可检测出针尖同试样面间变化的原子间力.将激光束的偏转信号输入计算机中进行处理,可得到试样901第1期 田文超等:扫描探针显微镜系列及其应用综述面的表面信息.在试样面下方装有压电材料,用以接受计算机输出的反馈信号,调节试样面的高度,以达到保护探针针尖的目的.图3 AF M 原理示意图图4 探针针尖同试样面接触处的示意图 由于AFM 是基于原子间力的理论,因此,被测试样面由导体和半导体扩展到绝缘体领域,其横向分辨率可达0101nm.目前根据探针针尖同试样面的接触情况,将AFM 的接触形式分为接触型(C 型)、非接触型(NC 型)、间歇接触型(IC 型)[6].由于间歇接触型IC 2AFM 兼有C 2AFM 和NC 2AFM 的特点,已成为研究的新热点.图5 F M M 原理示意图113 FMM 基本原理图5所示为FM M 的原理示意图.探针针尖以接触形式同被测试样面相接触.图中曲线为施加于探针针尖的周期信号.为保持探针同试样面恒定接触,使悬臂梁保持恒定弯曲,需将经计算机处理后的反馈信号送给悬臂梁.由于试样面的局部弹性有差异,经调制后的探针振动信号随试样面局部弹性的不同而变化,因此,通过测量振幅的变化量可得到试样面的局部弹性情况.探针所加信号为100～1000kH z ,要略高于反馈信号.FM M 的最大特点是可测量表面的弹性变化情况,其横向分辨率要高于AFM一个数量级.图6 PDM 的原理图114 PDM 基本原理图5所示为PDM 的原理图.在试样面上施加输入信号,则在悬臂梁上有相应的输出信号.将两种信号同时输入计算机中进行处理,可得到试样面的表面特性.PDM 的特点是接触面处的接触方式既可以是接触型、非接触型,也可以是间歇接触型.可检测出表面的弹性情况、粘性情况和摩擦情况.115 EFM 基本原理在EFM 中,探针同试样面的接触情况为非接触型.当探针在试样面上进行扫描时,由于试样面上电荷密度有差异,探针和试样面间形成的静电力随扫描区域的不同而变化,因此,通过测量悬臂梁的振幅变化量可得到试样面的表面电荷分布情况.该项技术由于被用于微处理器等深亚微米芯片检测而被称为“电荷探针”.116 SCM 基本原理在SC M 中探针同试样面的接触方式为接触型的.当探针在试样面上扫描时,由于针尖同试样面间的介电常数随扫描区域的不同而发生变化,从而导致接触面处电容的变化.通过测量变化的电容,可获得试样面的介电常数分布情况.SC M 的特点是不仅可以测量表层的介电常数分布,还可以测量深层的介电常数分布.117 SThM 基本原理SThM 在接触处的接触方式为非接触型.ST M 的悬臂梁由热膨胀系数较大的材料制成.当探针在试样面上扫描时,由于试样面上不同的热量分布导致悬臂梁的变形量不同,通过测量悬臂梁的振动变化可得到试样011 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第30卷面上热的分布情况.118 NSOM 基本原理在NS OM 中,探针被固定,试样面利用压电技术进行扫描.针尖被做成音插形状,以提高灵敏度.NS OM 可测量几个纳米的近场,对于次长波信息,分辨率可达5～20nm.2 SPM 应用1959年美国物理学会年会上,诺贝尔物理奖获得者Richard Feynman 说:“如果我们能够按自己的意愿排列原子,将会出现何物?这些物质的性质如何?虽然这个问题我们现在不能回答,但我决不怀疑我们能在如图7 原子、分子操作示意图此小的尺寸上操纵原子.”[7]目前,Richard Feynman 的设想可以实现了.使用ST M 进行单原子操纵的较普遍的方法,是在针尖和试样面之间施加偏置电压.由于针尖同试样面之间的距离很小,因此,在偏置电压作用下,针尖和试样面之间将产生强大电场(109～1010V/m ).试样面上的吸附电子在强电场作用下,经过蒸发被移动或提取,在试样面上留下空穴,从而实现单原子的移动和操纵.同样,吸附在针尖上的原子也有可能在强电场作用下,经过蒸发而沉积到试样面上,完成单原子的放置.利用AFM 进行单原子操纵还处于研究阶段.通过控制针尖同试样面之间的距离,利用针尖和试样面原子之间不同的原子间力,实现原子操纵.目前,利用SPM 实现原子操纵是SPM 研究的又一新热点,并因此带动相关学科产生新一轮革命.“正是由于SPM图8 X e 原子操纵过程示意图的精确性和准确性,显然对传统微电子工艺形成了冲击和震动”[6].图7所示为日本通产省产业技术研究所实现原子、分子操作技术的示意图[8].图8所示为X e 原子操纵过程示意图.左上图为X e 原子静置在Ni 表面上,右上图为探针“拾起”X e 原子的情景.下面两图为ST M 显示的Ni 表面情况.SPM 在生物技术和生命科学中,也具有广阔的应用前景.图9所示是日本通产省用AFM 观察到的1066对基因中DNA 发生突变的位置示意图[8].图中的亮点为DNA 发生突变的位置.目前SPM 在生物技术中的主要应用有:基因分析、染色体和细胞膜分析,蛋白质和核酸聚合分析,新物种产生等领域.SPM 是I BM 公司的科学家发明的,它在信息技术的应用,一直是人们关注的,随着科技的进步,对芯片的计算功能和存储功能的要求越来越高,如何提高芯片的性能是信息技术追求的目标,SPM 的产生可谓是信息技术发展的一项催化剂,必然会带动信息产业更大的发展.以纳米电子加工为例,SPM 技术可以加工更小尺寸的器件,器件的工作频率也更快,能耗也更低.如果在1cm 2Si 表面用原子存储信息,可存储1015bit 的信息[9],是目前所用的1144Mb 的7亿倍.目前SPM 技术主要应用于微电子技术、生物技术、基因工程、生命科学、表面技术、信息技术和纳米技术等各种尖端科学领域[10～12].随着纳米器件的发展和ST M 理论的不断完善,人类将可以用特定的原子制造特殊功能的产品.111第1期 田文超等:扫描探针显微镜系列及其应用综述图9 1066对基因中DNA 发生突变的位置示意图3 结束语目前SPM 的发展方向主要有:⑴探针针尖的工艺研究.探针针尖的工艺对SPM 分辨率至关重要,如何提高针尖尖度、延长探针使用寿命将成为SPM 长期研究的问题.⑵对于ST M ,偏置电压的控制,也是研究的关键.电压过高,电场强度增大,有利于原子迁移;然而场强过大,在针尖和试样面之间会产生复杂化学反应,导致原子操纵过程变得复杂.⑶接触面处的接触距离,是SPM 中最关键的因素.合理的接触距离,既有利于延长针尖的使用寿命,又有利于提高SPM 的分辨率.而接触距离在原子操纵中,将起着决定性作用.电场的强弱和原子间力的大小同接触距离有密切的关系,尤其是AFM ,研究发现,当接触距离达到某个值时,接触面处的原子会发生“突跳”,“突跳”对原子操纵影响很大.我国在《国家纳米科技发展纲要(200122010)》中,已将SPM 列为急需突破的纳米科技发展的共性关键技术.相信在不久的将来,SPM 将在更.参考文献:[1]Binning G,R ohrer H.Sur face S tudies by Scanning Tunneling M icroscopy[J ].Phy Rev Lett ,1982,49(1):49257.[2]Ivan A.Atomic Imaging :Candid Cameras for the Nanow orld[J ].Science ,1997,276(5321):198221985.[3]白春礼1纳米科技及其发展前景[J ]1科学通报,2001,46(2):89292.[4]John W C.Scanning Probe M icroscopy Imaging Sur face on a Fine Scale [E B/O L ].http ://w w w.m /jwcross/spm/inventors ,2001211211.[5]John A ,C owan Jr.Imaging DNA on a G raphite Sur face Using a Scanning Tunneling M icroscopy [E B/O L ].http ://webphysics.Davids /alumni/jocowan/stm/stm out.htm ,1996212216.[6]Hanland R ,Benatar L.A Practical G uide to Scanning Probe M icroscopy[R].Sunnyvale :Sandia Lab ,the Ohio S tate Univ ,2000.25230.[7]Feynman R.There πs Plenty of R oom at the Bottom[J ].J M icroelectromech ,1992,3(1):60266.[8]National Institute of Advanced Interdisciplinary Research (NAIR ).Identificaiton and Manipulation of Atoms and M olecules[E B/O L ].http ://w w w.aist.g o.jp/NAIR/atom ,2001210215.[9]Huang D H ,Uchida H.Method for Patterning Atomic S tructures and Method for Fabricating Atomic Mem ory[P].Japanese Patent :2927678,1999203214.[10]Bakharaen A A.Nurgazizon N I.AF M Investigation of Selective E tching Mechanism of Nanostructured S ilica [J ].Sur face Science ,2001,482(3):131921324.[11]John B P ,Russ E.Atomic F orce M icroscopy :Imaging Alumina Sur faces[J ].Nature ,2001,414(1):27229.[12]Seizo M ,Y asuhiro S.Mapping and C ontrol of Atomic F orce with N oncontact Atomic F orce M icroscopy[J ].Rikeiv Review ,2001,36(7):10217.(编辑:齐淑娟) 211 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第30卷。
扫描探针显微镜及其应用
4）横向力扫描探针显微镜（LFM）
在接触模式下进行扫描时，探针在样品表面滑行，摩擦 力和表面形貌的变化会对微悬臂横向施加力，从而引起悬 臂梁的横向偏转，最终反映 到激光检测器上所获得信息。 由于表面摩擦力和表面机械形貌都能影响悬臂梁的横向偏 转，故常将AFM和LFM图象同时收集以便分析。
5）力调制扫描探针显微镜（FMM）
4）金属沉积过程研究
Au基片上通过控制电位，Cu+电化学沉积 并吸附Cu单原子层的SPM像
5）金属氧化层的研究
6）材料在不同温度下即时观察
聚乙烯单晶在退火前后的AFM即时观察
聚丙烯材料融化及结晶过程， 20µm 扫描
T=100oC
T=110oC
T=17）有机单分子层成像
Au（111）表面吸附KI引起的表面重构
表面重构观测 Measurements were done at RT
0 min
5 min
2 μm 15 min
2 μm 30 min
2 μm
2 μm
Annealing of SBS block copolymer film (100oC)
3）腐蚀研究
304不锈钢表面在NaCl溶液中的腐蚀过程AFM原位实时 观察（恒高模式）
表面分析技术SAT（衍射技术）——研究金属、半导体表面结构
X-射线、电子、中子衍射，
低能电子衍射（LEED），俄歇谱（AES）， 光电子能谱（ESCA），能量损失谱（ELS）， X射线光电子谱（XPS） ，紫外光电子谱（UPS）
局限性
OM、SEM：不足以分辨出表面原子 HRTEM：虽可获得局域结构信息，但制样困难，高
将一种抗体修饰在AFM针尖，将抗原固定在样品表 面，在AFM成像或做力曲线时可以对抗原-抗体的相互 作用进行分析。
扫描探针显微镜在纳米科技发展中的应用
扫描探针显微镜在纳米科技发展中的应用作者：李尧来源：《科技创新与应用》2013年第10期摘要：纳米科技无疑是时下科研和产业的热点。
当物质尺度小到一定程度时，需要用量子力学取代经典力学的观点来描述它的行为。
因此，我们的纳米材料往往能表现出完全不同于宏观世界的特性。
在科技已经发展到一定程度的今天，纳米世界可以说是我们打开的另一扇大门，里面有无尽的瑰宝等着我们去发现和应用。
伴随着纳米研究的深入，新的学科方向也应运而生，像纳米电子学、纳米生物学、纳米材料学等等。
可以说我们的世界正走向纳米时代。
关键词：扫描探针显微镜；纳米科技；发展纳米科技的发展离不开各种显微技术的出现，这其中最常见的莫过于大家所熟悉的光学显微镜。
在此基础上，为了提高分辨率，人们又设计用电子束代替光子，出现了各种电子显微镜。
扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，简称SPM）是一类特殊的显微镜，它涵盖了扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelling Microscope，简称STM），原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM），以及在此基础上延伸出的一系列显微模式。
顾名思义，这类显微镜是基于纳米探针与样品的作用来成像的。
如果将我们熟知的光学显微方法比作是用眼睛看世界的话，那么SPM就是“盲人摸象”。
探针就像是显微镜的“手”，触摸着纳米材料的表面，并将它“摸到”的世界告诉大家。
SPM是目前世界上分辨率最高的显微镜，可以在实空间看到单个原子，这是其它显微方法所无法比拟的。
同时，SPM直接给出的是三维的立体结果，比起大部分显微镜的二维成像来说，多了一个维度的信息。
此外，SPM还具有成像环境多样，应用灵活等优点。
这些特质使得SPM表征技术几乎渗透到了纳米科技的各个领域。
与此同时，SPM自80年代发明以来，本身也在不断进步。
目前已经发展出了几十种探测模式。
这类独特的显微技术正伴随了纳米科技的发展，而展现出强大的生命力。
纳米技术基础课件 第3课 扫描探针显微镜原理及应用
中国科学院沈阳自动化研究所
微纳米实验室
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4.1 磁力显微镜
磁力显微镜(magnetic force microscope, MFM) 是AFM的一 个分支，是在 AFM 的基础上发展演化而来的。典型的 MFM针尖是在Si或Si3N4针尖上包覆一层磁性薄膜，使针 尖具有磁性，因而在对样品进行扫描时能感受到样品杂 散磁场的微小作用力，探测这个力就能得到产生杂散磁 场的表面磁结构的信息。对MFM来说，针尖样品间作用 力主要包括范德华力和磁力。在针尖－样品间距离很近 时，以范德华氏力占主导；当针尖－样品间距离较远时 （~100nm 以上） ，磁力占主导。
中国科学院沈阳自动化研究所
微纳米实验室
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AFM扫描方式
轻敲模式：AFM轻敲扫描
中国科学院沈阳自动化研究所
微纳米实验室
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AFM扫描方式
轻敲模式：AFM相位成像
细菌细胞扫描图像: (a)高度图, (b)相位图
中国科学院沈阳自动化研究所
微纳米实验室
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AFM扫描方式
非接触模式
中国科学院沈阳自动化研究所
微纳米实验室
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3.2 原子力显微镜(AFM)
宾尼等人1986年发明的第 一台原子力显微镜原理
1988年，Meyer和Amer用激光反射法(Laser beam deflection) 代替原先的 STM 针尖检测 法，这成为现有AFM的标准检测方法。
中国科学院沈阳自动化研究所
微纳米实验室
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AFM的探针
中国科学院沈阳自动化研究所
微纳米实验室
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尽管压电陶瓷驱动器具有分辨率高、响应快等优点，但 由于材料内部微粒极化原因及分子间摩擦力等特点，导 致其也有一些固有的缺点： • 迟滞/非线性 • 蠕变 • 温漂
利用扫描探针显微镜扫描V型纳米金刚石刀刃的方法
0引言扫描探针显微镜是一种研究材料表面结构的分析仪器,有多种工作模式,包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜、横向力显微镜、磁力显微镜、静电力显微镜等等。
原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)是一种表面成像技术,由Binning 等人在描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,STM)的基础上开发出的一种新型的、具有分子与原子级分辨率的显微镜。
由于原子力显微镜分辨率可以达到0.2nm,纵向分辨率可以达到0.1nm,且制样简单,是人类观察微观世界很好的工具,自其问世以来,这一检测技术广泛应用于物理、化学、生物、材料等领域[1-3]。
原子力显微镜的工作模式是以探针与样品之间的作用力形式来分类的。
主要有以下3种工作模式:接触模式,非接触模式和轻敲模式。
接触模式是探针与样品紧密接触,并在样品表面滑动,靠探针与样品之间的排斥力来获得表面图像。
非接触模式是探针始终不与样品接触。
轻敲模式是探针与样品进行间歇式接触,又被称为间歇式接触模式。
在大气环境中,当探针与样品不发生接触时,弹性微悬臂是以最大振幅进行自由振荡;当探针与样品表面发生间歇式接触时,尽管压电陶瓷片以同样的能量激发弹性微悬臂振荡,但是空间阻碍作用会使得弹性微悬臂的振幅减小,通过反馈系统可以控制弹性微悬臂的振幅保持恒定值,根据反馈信号的变化可以得到样品表面的形貌信息。
V 型纳米金刚石刀刃刀是精度高、稳定性好超硬材料刀具,具有极高的耐磨性,其尖圆弧半径达到纳米级,表面粗糙度高达1nm,其锋利度与超精密切削技术有着密切的关系[4],对于刃口的锋利度的表征成为检验纳米金刚石刀刃性能的一个重要指标。
一般基于原子力显微镜检测的样品,表面起伏不能超过3微米,在检测过程中能够较为容易的聚焦到所测样品的表面。
而对于具有特殊形状的样品,特别是在显微镜光学系统视野无法观测的纳米级金刚石刀刃来讲,其刀刃的位置不能清晰成像,如果按照一般成像操作,针尖与样品之间的距离太小,会造成探针在下针后会出现频繁跳针现象,不能真实反映纳米级尖锐样品的表面形貌,进而影响其他样品的参数结果。
电化学扫描探针显微镜在表面微_纳米加工的应用
电化学扫描探针显微镜在表面微/纳米加工的应用汤 儆,毛秉伟,田中群(固体表面物理化学重点实验室,化学系,福建厦门361005)摘要:概述了在固/液界面微/纳米加工中经常采用的三种电化学扫描探针显微镜(EC2SPM)技术,分别讨论了电化学扫描隧道显微镜(EC2STM)、电化学原子力显微镜(EC2AFM)和扫描电化学显微镜(SECM)在应用于微/纳米加工时的基本原理和各种方法,并综合比较和分析了这三种技术的优缺点。
关键词:扫描隧道显微镜;原子力显微镜;扫描电化学显微镜;微/纳米加工;电化学中图分类号:TH742 文献标识码:A 文章编号:167124776(2003)07/0820192205Micro2and nano2fabrication by EC2SPMTAN G Jing,MAO Bing2wei,TIAN Zhong2qun(State Key L aboratory f or Physical Chemist ry of Soli d S urf aces,Depart ment of Chemist ry,Xiamen U niversity,Xiamen361005,Chi na)Abstract:Three main electrochemical scanning probe microscopy(EC2SPM)techniques for micro2and nano2fabrication are reviewed.The mechanism and different approaches of micro/nanofabrication about scanning tunneling microscope(STM),atomic force microscope(AFM)and scanning electro2 chemical microscope(SECM)are discussed in detail.The advantage and disadvantage of each tech2 nique are compared and analyzed.K ey w ords:STM;AFM;SEM,micro/nanofabrication;electrochemistry1 引 言扫描探针显微镜(SPM)泛指扫描隧道显微镜以及在此基础上发展起来的原子力显微镜、磁力显微镜(MFM)、静电力显微镜(EFM),扫描近场光学显微镜(SNOM)和扫描电化学显微镜(SECM)等一系列显微镜。
电子探针显微镜技术的应用
电子探针显微镜技术的应用电子探针显微镜技术是一种能够观察物质微观结构的高级显微技术。
它利用电子束与物质的相互作用来实现高分辨率成像和表征。
电子探针显微镜技术的应用非常广泛。
在材料科学、生命科学、化学、物理学、纳米科学等领域都有广泛的应用。
本文将介绍电子探针显微镜技术的基本原理和应用领域。
基本原理电子探针显微镜技术的基本原理是利用电子束与物质的相互作用来产生图像。
电子束在经过样品后，会受到样品内部的电子、光子、声子等相互作用而产生多种信号。
这些信号包括散射电子、透射电子、能量损失电子、辐射等。
不同信号的量和种类取决于样品的组成和结构。
散射电子是电子束与物质内部原子之间相互作用后发生的散射现象。
当电子束在样品表面散射时，会引起在样品表面生成散射电子成像。
因此，散射电子也可用于观察表面形貌和成分分布。
透射电子是电子束透过样品后，未被散射的电子。
它们可以用来探测样品内部的结构和成分。
能量损失电子是电子束在样品内部与物质原子相互作用后，失去能量的电子。
通过测量能量损失电子的能量损失，可以获得样品内部的元素成分信息。
电子探针显微镜技术的原理非常复杂。
但是，在实际应用中，只需要根据不同的应用需求选择适当的信号就可以了。
应用领域电子探针显微镜技术的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：1. 材料科学：电子探针显微镜技术是研究材料中成分、微观结构和性能的重要手段。
它可以用于观察材料中的原子排布、晶体结构、纳米尺度的缺陷和界面等特征。
利用这些信息，可以预测与调控材料的性能，并且设计新的材料。
2. 生命科学：电子探针显微镜技术可以用于观察生物样品中的微观结构，如细胞和细胞器。
特别是透射电子显微镜，可以用来观察蛋白质、核酸等生物分子的结构与功能。
随着技术的不断发展，这种技术可以被用作生物立体成像，有助于深入了解细胞和生物分子的功能机制。
3. 化学：电子探针显微镜技术在化学领域的应用也越来越广泛。
它可以用来观察化学反应的微观机制，研究化学反应的动力学过程，预测化学反应的性能，开发新型催化剂等。
扫描探针显微技术及其应用
扫描近场光学显微境 （SNOM） 弹道电子发射显微镜 （BEEM）
扫描力显微镜（SFM）
扫描探针显微镜 （SPM）
扫描探针显微镜的原理
当探针与样品表面间距小到纳米级时，按照近代量 子力学的观点，由于探针尖端的原子和样品表面的原子 具有特殊的作用力，并且该作用力随着距离的变化非常 显著。当探针在样品表面来回扫描的过程中，顺着样品 表面的形状而上下移动。独特的反馈系统始终保持探针 的力和高度恒定，一束激光从悬臂梁上反射到感知器， 这样就能实时给出高度的偏移值。样品表面就能记录下 来，最终构建出三维的表面图 。
扫描探针显微镜的应用 &检测材料的性能
a) STM image of a SWCNT end (I=300 pA, Vsample=546 mV, 45 nm× 319 nm). b) scanning tunneling spectroscopy(STS) data on the left-hand side of the dotted line in (a). C)STS data on the right-hand side of the dotted line in (a). d) Simultaneously recorded spatially resolved STS image, Vstab=546 mV, Istab=5300 pA and Vmod=510 mV.[11]
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10-4m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 微镜的分辨率动力学过程
扫描电子显微镜原理和应用
扫描电子显微镜原理和应用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种现代的高分辨率显微镜，利用电子束对样品进行扫描来获得其表面形貌和成分分布的信息。
它以其出色的分辨率和深度视野而在科学研究、材料分析、生物学和工程等领域得到广泛应用。
SEM的原理基于电子物理学。
它主要包含了两个关键组件：电子光源和探测器。
电子光源通常使用热阴极或场致发射器来发射电子束。
这些电子被加速并聚焦成一个细束，然后由透镜系统进行进一步聚焦，形成一个小的光斑。
电子束的能量通常在数千至数万伏特之间。
SEM相比于传统的光学显微镜具有更高的分辨率和更大的深度视野。
其分辨率通常在纳米级别，远远超过了光学显微镜的分辨能力。
同时，SEM还能提供三维表面形貌信息。
由于它的高分辨率和深度视野，SEM在许多领域的研究和实践中得到了广泛应用。
在材料科学和工程领域，SEM常用于材料表面形貌的观察和分析。
通过SEM，可以观察到材料中的微观结构、晶粒大小和排列方式等细节信息。
SEM也被应用于表面覆盖层分析，如金属薄膜、涂层和液晶显示屏等。
通过SEM，可以定量评估这些表面层的质量和均匀性。
在生物学研究中，SEM被广泛应用于生物样品的形态学研究。
通过SEM，可以观察和研究生物细胞、细胞器和细胞表面的微结构。
SEM还可以用来观察昆虫、植物花粉和微生物等微小生物的形貌。
SEM还在矿物学、地质学和考古学等领域中发挥重要作用。
通过SEM，能够观察到矿物和岩石中的微观结构和成分分布。
这些信息对于分析矿物的形成过程、岩石的变质和变形等具有重要意义。
在考古学中，SEM可以用于观察和分析古物的微观特征，并帮助研究人员了解古代文化和艺术的制造技术。
总之，扫描电子显微镜是一种非常强大的工具，能够提供高分辨率的表面形貌和成分分布信息。
它在科学研究、材料分析、生物学和工程领域有着广泛的应用前景，为我们对微观世界的研究提供了有力的支持。
纳米材料的几种扫描探针显微表征方法
纳米材料的几种扫描探针显微表征方法
褚宏祥
【期刊名称】《光电技术应用》
【年(卷),期】2009(024)005
【摘要】扫描探针显微镜(SPM)作为一种广泛应用的表面表征工具,不仅可以表征三维形貌,还能定量地研究表面的粗糙度、孔径大小和分布及颗粒尺寸,在许多学科均可发挥作用.以纳米材料为主要研究对象,综述了国外最新的几种扫描探针显微表征技术,包括扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)和近场扫描光学显微镜(SNOM)等方法, 展示了这几种技术在纳米材料的结构和性能方面的应用.
【总页数】4页(P27-29,43)
【作者】褚宏祥
【作者单位】曲阜师范大学激光研究所,山东,曲阜,273100;淄博师范高等专科学校科研处,山东,淄博,255130
【正文语种】中文
【中图分类】O434.14
【相关文献】
1.扫描探针显微镜在纳米材料表征中的应用 [J], 包生祥;王志红;李红霞;曾慧中;戴林杉;陈琨
2.用于原子力显微镜的qPlus探针的扫描电镜表征 [J], 谢宇辰;陈科蓓;刘争晖;陈家凡;钟海舰;张春玉;宋文涛;徐耿钊;徐科
3.互补的微分析方法-扫描电子显微术和扫描探针显微术 [J], 王晓平;李凡庆;吴自
勤
4.基于扫描探针显微镜的几种洋酒AFM扫描图 [J], 吴士业;张敬雨;钟世荣;何彪;刘云波;赵金松
5.扫描透射电子显微镜探针尺寸的表征 [J], 朱亚璟;黄森
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扫瞄探针显微术在奈米级表面电性上的量测与应用
奈米電性之掃描探針量測技術文／曾賢德、果尚志摘要本文介紹如何利用掃描力顯微鏡中之 EFM、KFM、CFM、SCM、PFM 及 SNDM量測表面電性，包括表面電位、空間靜電荷、薄膜電容與壓電特性等，這些物理性質的奈米級量測與分析將對微觀尺度下物質特性的瞭解有相當大的助益。
一、前言近年來由於半導體製程技術不斷進步，使得元件尺寸已縮小到次微米級甚至奈米等級，與此同時，奈米尺度的量測工具也日趨重要且多樣化。
其中，掃描探針顯微術(Scanning Probe Microscopy ，SPM) 的量測範圍可從原子等級到數百微米，可測量的物理量包羅萬象，並且擁有操控與改變表面狀態的能力，因此成為諸多工具中，發展最為迅速且應用廣泛的方法之一。
SPM 的種類繁多，一般常見的是掃描穿隧顯微術 (Scanning Tunneling Microscopy，STM) 與掃描力顯微術(Scanning Force Microscopy，SFM) 兩大類。
此外還有延伸型工具，例如掃描式近場光學顯微鏡(Scanning Near-field Optical Microscope，SNOM) 與掃描電容顯微鏡 (Scanning Capacitance Microscope，SCM) 等等也甚為常見。
SPM中最早發明的STM[1] 是藉由導電探針與樣品間的穿隧電流來偵測表面特性，其優點是具有極佳的空間解析度，能夠清楚量測到表面單一原子以及其電子能態，因此對表面科學研究相當重要。
由於STM 對樣品與操作環境的要求較為嚴苛，僅能測量具有相當導電性的表面，且一般得在超高真空下操作以保持樣品表面的潔淨，因此在應用上較受限制。
相對的，SFM 是利用探針與表面間的作用力來量測表面特性，因此樣品可不導電，對操作環境的要求也較少，可在一般大氣環境下甚至在液體中操作。
此外，藉由使用適當的探針或方法，即可量測出各種不同的作用力形式，並獲得表面諸多特性。
扫描探针显微分析现代材料物理研究方法演示文稿
扫描电镜（ SEM）
6-10nm
高真空 高真空
室温 室温
场离子显微镜 （FIM）
原子级
超高真空
30-80K
无
100μm量级
接近SEM,但实际上为
小
样品厚度所限，一般
小于100nm
小
10mm (10倍时) 1μm (10000倍时)
有
原子厚度
此外，在技术本身，SPM具有的设备相对简单、体积小、价格便宜、对安装环境要求较低
▪ 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目 前以STM和AFM为代表的扫描探针显微技术，以其独特的性能引起了 世界各国科学家的极大兴趣和热情，在表面科学、材料科学、微电子学、
5 生命科学等研究领域获得了广泛的应用。
第五页，共53页。
扫描探针显微镜的一般原理
▪ 利用探针可研究材料表面的局域性质。让探针在样品表面进行扫描的同 时，进行精确的反馈控制就可获得材料表面性质的高分辨图像，扫描探 针系列显微镜就是根据这一原理发展起来的。
条件下，k与有效局部功函数Ф有关
Z
X
，可近似表示为
k = (2/h)(2mФ)1/2
m为电子质量，Ф为有效局部功函数 ，h为普朗克常数。
1199
第十九页，共53页。
Sห้องสมุดไป่ตู้M 基本原理
I-s有指数关系： I ∝ exp[-2ks]
隧道电流在10－9－10－6 Å量级
当s增加Δs时： I ∝ exp[-2ks]·exp[-2kΔs]
经典力学
1188
第十八页，共53页。
STM 基本原理
▪ STM工作时，在样品和针尖间加一定电压，当样品与针尖的距离小于 一定值时，由于量子隧道效应，样品和针尖间产生隧道电流。在低温低 压下，隧道电流I可近似地表达为
研究生读书报告-纳米制造之扫描探针显微镜PPT课件
对未来研究的建议和展望
01
02
03
04
深入研究SPM的原理和技术 ，提高其成像和操控精度，以 满足更广泛的纳米制造需求。
探索SPM与其他纳米制造技 术的结合，实现更高效、智能
的纳米制造。
在纳米尺度上的力学性能测试方面，SPM可以用于研究材料在纳米尺度上的力学性能和行为，为新材料 的开发和优化提供有力支持。
扫描探针显微镜在纳米制造中的挑战和前景
尽管SPM在纳米制造中已经得到了广泛应用，但仍存在一些挑战，如测 量精度和稳定性的提高、操作速度的加快以及与其他制造工艺的集成等。
随着技术的不断进步和应用需求的不断提高，SPM在未来仍将不断发展 创新，进一步提高测量和加工精度，实现更快速、更高效、更智能的纳
03
纳米制造技术介绍
纳米制造的定义和重要性
纳米制造的定义
纳米制造是一种在纳米级别上设计和制造材料、结构和系统的技术。它涉及到原子、分子的精确控制和操作，以 实现材料和器件的超精密制造。
纳米制造的重要性
随着科技的发展，人们对纳米级别上的材料和器件的性能要求越来越高，这使得纳米制造成为当前和未来科技发 展的重要方向。纳米制造技术的发展将为新一代的电子产品、医疗设备、能源技术等领域提供关键的技术支持。
米制造。
SPM的应用前景非常广阔，不仅在传统的半导体制造、新材料研发等领 域有着广泛的应用，还在生物医学、环境监测等领探针显微镜（SPM）在纳米制造领 域具有重要应用，能够实现原子级分辨 率的表面形貌成像和精确的纳米尺度操 控。
本研究深入探讨了SPM的基本原理、技术发 展和在纳米制造中的应用，并针对SPM在纳 米制造中的挑战和未来发展方向进行了分析 和展望。
扫描电子显微镜在纳米材料研究中的应用
扫描电子显微镜在纳米材料研究中的应用自20世纪80年代人们开始研究纳米材料以来，由于其颗粒尺寸的细微（10—100nm)，使其具有许多其它材料所不具备的优异性能，如特有的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，现已成为材料学研究中的热点。
纳米材料独特的物理化学性质主要源于它的超微尺寸及超微结构。
因此对纳米材料表面形态的观察成为对其研究和应用的基础。
目前该领域的检测手段和表征方法可以使用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镪TEM)、扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等技术。
扫描电子显微镜(SEM)在纳米级别材料的形貌观察和尺寸检测方面依靠其高分辨率．良好的景深简易的操作等优势被大量采用。
SEM是—个复杂的系统，浓缩了电子光学技术、真空技术、精细机械结构以及现代计算机控制技术等，其成像质量的好坏受多种因素的影响，包括样品的前期处理、SEM自身能的制约等。
在此就如何利用SEM观测高清晰度的纳米薄膜材料进行了详细的阐述，包括对荷电效应、像散对纳米薄膜材料成像的影响和解决方法以及加速电压、物镜光栏、工作距离等SEM测试条件之间的相互作用关系及对纳米薄膜材料表面形态图像清晰度的影响，为提高SEM在纳米材料表面形态的成像质量起到抛砖引玉的作用。
1 SEM的工作原理及特点扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope)，简称SEM，是一种大型的分析仪器，是3 0 年代中期发展起来的一种新型电镜，是一种多功能的电子显微分析仪器，主要功能是对固态物质的形貌显微分析和对常规成分的微区分析，广泛应用于化工、材料、医药、生物、矿产、司法等领域。
扫描电镜所能显示各种图像的依据是电子与物质的相互作用，当高能入射电子束轰击样品表面，由于入射电子柬与样晶间的相互作用，将有9 9 %上的入射电子能量转变成样品热能。
约1%的入射电子能量，将从样品中激发出各种有用的信息，包括二次电子、透射电子、俄歇电子、x射线等不同的信息，反映样品本身不同的物理、化学性质扫描电镜的功能就是根据不同信息产生的机理，采用不同的信息检则器，以实现选择检测扫描电镜的图像。
扫描探针显微镜技术及其应用-精共28页
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。。——孔子
扫描探针显微镜技术及其应用-精
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿