扫描探针显微技术集合

扫描探针显微镜的发展历史
理原的镜微显针探描扫
扫描探针显微镜的原理
当探针与样品表面间距小到纳米时，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。
场 电 子 显 微 镜
场 离 子 显 微 镜
电 子 探 针
低 能 电 子 衍 射
光 电 子 能 谱
扫 描 电 子 显 微 镜
样品具有周期性结构 史历和生产的镜微 显针探描扫
高分辨透射 电子显微镜 光学显微镜 和 扫描电子显 微镜 X射线光电子 能谱
低能电子衍 射和 X射线衍射
用于薄层样品的体相和界面研究
•
双链DNA吸附在石墨表面用CH3(CH2)11NH2分子改性。操作过 程是这样的，将探针与表面接触，然后使用自制的操纵硬件向 一定方向移动。a.是双链质粒DNA分子的交存；b.其中2个顺 着箭头方向拉伸之后；c.同样的分子进行操作后形成三角形； d.用线性双链DNA的分散样品写的7个字母；e.放大b图中的方 块部分；f.放大c图中方块的部分。
史历和生产的镜微显针探描扫
原子力显微镜（AFM） 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）
扫描隧道显微镜 （STM）
扫描探针显微镜 （SPM）
史历和生产的镜微显针探描扫
对于扫描探针显微术的最初研究可以追溯到上个世 纪２０年代。 1928年英国科学家Synge提出了扫描探针近场光学显 微镜的概念。他提出制造一个玻璃的针尖，在这个针尖 的末端有一个极小的照相机的光圈，然后用这个针尖对 待测样品作一行行的扫描。他后来也提出了对样品进行 压电式扫描的想法。但由于种种原因，他的工作没有受 到注意。 直到1956年，O’Keefe重新研究了相同的想法。这次， O’Keefe研究了光在一个100埃的狭逢中的传播，指出 了该技术有望达到100埃的分辨率。但不幸的是，他断 言相关的技术还不成熟，实验方面的工作还不具有可行 性，因此他放弃了进一步的研究。Baez之后用声波的方 法一一核实了这些概念。 1972年，Ash和Nicholls两人使用3cm波长的微波辐 射做成了世界上第一个近场高分辨率扫描显微镜。他们 达到了150微米的分辨率（波长的二百分之一）. 1981年IBM的Gerd.Binnig 和Heinrich Rohrer制成 了世界上第一台扫描隧道显微镜，由此人类第一次获得 了原子尺度上的图像。二人因此项工作获得了诺贝尔奖。 自此SPM的发展日新月异。
用应与点特的镜微显针探描扫
扫描探针显微镜正在迅速地被应用于 科学研究的许多领域，如纳米技术，催化 新材料，生命科学，半导体科学等，并且 取得了许多重大的科研成果.
用应与点特的镜微显针探描扫
扫描探针显微镜的特点
1. 分辨率高 横向分辨率 可达
0.1nm
纵向分辨率 可达
0.01nm
HM：高分辨光学显微镜；PCM：相反差显微镜； (S)TEM：（扫描）透射电子显微镜； FIM：场离子显微镜；REM：反射电子显微镜
SFM images of double-stranded DNA (dsDNA) adsorbed on a graphite surface modified with CH3(CH2)11NH2 molecules. Manipulation was performed by bringing the tip in contact with the surface and moving it in the desired direction, using homemade manipulation hardwire and softwire; (a)ds-plasmid DNA molecules as deposited; (b)after stretching two of them along the arrows’ (c) after manipulation of the same molecules into triangles; (d)seven-letter word written with a polydisperse sample of linear dsDNA; (e)magnified view of the square marked in (b); (f)magnified view of the square marked in (c) [11].
理原的镜微显针探描扫
扫描探针显微镜(SPM)主要包括扫描隧 道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)两种 功能。
理原的镜微显针探描扫
扫描隧道显微镜
工作原理是利用电子隧道现象，将样品本身作为一 具电极，另一个电极是一根非常尖锐的探针。把探针移 近样品，并在两者之间加上电压，当探针和样品表面相 距只有数十埃时，由于隧道效应在探针与样品表面之间 就会产生隧穿电流，并保持不变。若表面有微小起伏， 那怕只有原子大小的起伏，也将使穿电流发生成千上万 倍的变化。这些信息输入电子计算机，经过处理即可在 荧光屏上显示出一幅物体的三维图像。扫描隧道显微镜 一般用于导体和半导体表面的测定。
用应与点特的镜微显针探描扫
应用：可用于表面扩散等动态过程的研究。
3、可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或 整个表面的平均性质。 应用：可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附 体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。
2、可实时地得到实空间中表面的三维图像，可用于具有 周期性或不具备周期性的表面结构研究。
荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。
6、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、对样品无特 殊要求、制样容易、检测快捷、操作简便等特点， 同时SPM的日常维护和运行费用也十分低廉。
用应与点 特的镜微显针探描扫 &通过显微镜探针可以操纵和移动单个原子或分子
扫描探针显微镜的其他应用
ε-Co nanocrystals coated by a monolayer of poly(acrylic acid)block-polystyrene [2]
Dendrimer-like Gold Nanoparticle[3]
DNA Translocation in Inorganic Nanotubes[4]
望展其及题问的在存
在自旋电子学方面的应用也是振 奋人心的。自旋电子学是利用电子 的自旋的方向－（上或下）来表示 传统信息学里的0和1。目前这们新 兴学科所面临的重大难题是足够高 的自旋注入效率。人们利用有磁性 探头的STM,将自旋极化的弹道电子 注入金属－半导体异质结，来研究 注入效率与异质结结构的关系[17]。 人们发现真空的隧道结能够有效地 将自旋注入电子中，隧道结的边界 还能保存自旋极化。在100K下，用 一个100％自旋极化的STM探头作 为电子源将极化的电子注入p型 GaAs的表面，并同时记录下了重 组发光的极化程度，结果表明，高 度自旋极化流(92％)能够被注入 GaAs[18]。
望展其及题问的在存
1） 作为电子束发射装置
由于STM的针尖和样品表面间存 在隧道电流作用，因此可以利用它来 作弹道电子注入。通过测量这个电流， Bell和Kaiser得以测量埋在样品表面 下的肖特基势垒的深度[12][13]。这项 技术被称作弹道电子发射显微镜 （BEEM）。自此以后，弹道电子发 射谱被广泛的应用在其他方面的研究 中[12]，包括对肖特基势垒的研究， 对双层结构共振态的研究，CuPt型阵 列的研究，量子点的研究上。
原子力显微镜 理原的 镜微显针探描扫
主要包括接触模式、 非接触模式和轻敲模式。 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、 接近或轻敲样品表面时， 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。这些信息输入 电子计算机，经过处理即 可在荧光屏上显示出一幅 物体的三维图像。
望展其及题问的在存
存在的问题
由于其工作原理是控制具有一定质量的探针进行扫描成像，因此 扫描速度受到限制，检测效率较其他显微技术低； 由于压电效应在保证定位精度前提下运动范围很小（目前难以突破 100μ m量级），而机械调节精度又无法与之衔接，故不能做到象电 子显微镜的大范围连续变焦，定位和寻找特征结构比较困难； 目前扫描探针显微镜中最为广泛使用管状压电扫描器的垂直方向伸 缩范围比平面扫描范围一般要小一个数量级，扫描时扫描器随样品表 面起伏而伸缩，如果被测样品表面的起伏超出了扫描器的伸缩范围， 则会导致系统无法正常甚至损坏探针。因此，扫描探针显微镜对样品 表面的粗糙度有较高的要求； 由于系统是通过检测探针对样品进行扫描时的运动轨迹来推知其表 面形貌，因此，探针的几何宽度、曲率半径及各向异性都会引起成像 的失真（采用探针重建可以部分克服）。
不足分辨出表面原子
只能提供空间平均的电子结 构信息
只能探测在半径小于100nm的针 尖上的原子结构和二维几何性质， 且制样技术复杂
场电子显微 镜 和 场离子显微 镜
史历和生产的镜微显针探描扫
2 纳米科技突飞猛进的发展
Biomolecular Recognition on Vertically Aligned Carbon Nanofibers[1]
最新展望和应用
望展其及题问的在存
新近发展起来一种技术叫做BEMM（弹道电 子磁场谱）[14]，是BEEM的技术加上巨磁阻效 应。它是和‘铁磁－非铁磁－铁磁薄膜－半导体 基底’一起使用的。在恒流模式下，通过STM针 尖，将电子注入到该结构上。电子在通过第一个 铁磁薄膜时将被自旋极化。极化的电子然后进入 铁磁金属－半导体异质结，如果两个铁磁薄膜是 平行磁性(P)的，则通过的效率最高，如果是反平 行磁性的（AP），则通过的效率最低（巨磁阻效 应[16]）。这就我们就可以通过隧穿电流大小的 变化来研究薄膜磁性、弹道电子输运等过程[15]。
5-1 扫描探针显微镜的产生和历史 5-2 扫描探针显微镜的原理
5-3 扫描探针显微镜的特点与应用
5-4 存在的问题及其展望 5-5 总结 参考文献
史历和生产的镜微显针探描扫
• 扫描探针显微镜产生的Βιβλιοθήκη Baidu然性
1
电子显微镜 1933年 表面结构分析仪器的局限性 Knoll
Ruska
透 射 电 子 显 微 镜
4、可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将 样品浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术，并且 探测过程对样品无损伤。
应用：适用于研究生物样品和在不同试验条件下对样 品表面的评价，例如对于多相催化机理、超导机制、电化 学反应过程中电极表面变化的监测等。
用应与点特的镜微显针探描扫
5、配合扫描隧道谱，可以得到有关表面结构的信 息，例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电
Diameter-Dependent Growth Direction of Epitaxial Silicon Nanowires[5]
史历和生产的镜微显针探描扫
扫描探针显微镜的产生
1982年
Gerd.Binnig
Heinrich Rohrer
扫描隧道 显微镜
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 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。
用应与点特的镜微显针探描扫
扫描探针显微镜的其他应用
微米纳米结构表征，粗糙度，摩擦力，高度分布，自相关 评估，软性材料的弹性和硬度测试
高分辨定量结构分析以及掺杂浓度的分布等各种材料特性 失效分析: 缺陷识别，电性测量（甚至可穿过钝化层）和 键合电极的摩擦特性 生物应用: 液体中完整活细胞成象，细胞膜孔隙率和结构 表征，生物纤维测量，DNA成像和局部弹性测量 硬盘检查: 表面检查和缺陷鉴定，磁畴成象，摩擦力和磨 损方式，读写头表 薄膜表征: 孔隙率分析，覆盖率，附着力，磨损特性，纳 米颗粒和岛屿的分布