扫描探针显微镜scanning
扫描探针显微镜安全操作及保养规程
扫描探针显微镜安全操作及保养规程简介扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是一种非常重要的物理、化学、生物实验室设备。
它可以用于分子、原子水平的表面形态特征的观察，从而为理解表面物理、化学、生物学的基本规律提供了帮助。
本文主要介绍扫描探针显微镜的安全操作及保养规程。
安全操作1.使用前请检查仪器设备是否完好。
对于已损坏的仪器设备，请及时报修或更换。
2.在使用扫描探针显微镜前，应戴上手套、口罩、护目镜以及实验服等个人防护用品，避免强光照射。
3.在使用扫描探针显微镜前，请先仔细阅读使用手册，并参考实验教师的指导。
4.在操作时，请勿将手伸入试验仪器，以免被探针划伤或弯曲。
5.在操作前需要先将仪器组装好，运行后进行试验。
6.我们需要在SPM操作镜头正前方平面上涂覆样品。
样品处理要确保样品是干燥、净的和适当地铺在扫描头上。
7.需确保实验舱内的温度、湿度以及气氛等环境指标符合实验要求。
需要特别注意的是，应避免尤其是避免将扫描探针显微镜接通电源后，进行调整与安装工作，此过程中的误操作会对人员安全生命构成重大的威胁。
同样，任何情况下都不得将未得到学校许可或未通过审核的仪器、设备、电器加入SPM系统中，以免造成波及，谢谢您的合作。
保养规程SPM是一种高精度设备，因此需要正确的保养。
正确的保养可以扩大设备寿命，提高设备精度，在很大程度上影响用户实验研究的准确性和科学性。
此处我们将介绍SPM保养的规程：1.坚持对设备进行定期的保养。
对设备进行常规的保养，可以防止故障的发生、维修的次数减少及设备寿命的提高。
对于设备保养，可以参考相关的使用手册及保养手册。
2.对于设备进行定期的维护润滑。
定期使用硅橡胶浮子进行润滑，可以使探针头与样品之间减小摩擦，从而提高设备的使用寿命。
3.定期对设备进行清洁。
在使用设备时，应避免将灰尘、液滴或其他物质附着在设备内部或外部，可使用抗静电布对设备进行擦拭。
扫描探针显微镜原理
扫描探针显微镜原理扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是一种通过扫描探测器表面的探针来获取样品表面形貌和性质的显微镜。
它的工作原理基于根据样品表面的形貌变化，通过探测器与样品表面之间的相互作用力测量来获得显微图像。
在扫描探针显微镜中，探测器通过一系列控制机构移动并探测样品表面的特征。
其中最常使用的探测器是探针，它通常是由纳米尺寸的针状探头构成，例如扫描电子显微镜中的原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）和扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy，STM）。
在AFM中，探针通过控制探测器的位置，使得探针与样品表面保持一定的距离，并通过弹性变形或电力作用测量样品表面与探针之间的相互作用力。
这个相互作用力的变化可以通过探测器的位置和力传感器来测量，从而得到样品表面形貌的信息。
通过扫描探针与样品表面的相对运动，可以逐点测量并构建出样品表面的三维形貌图像。
在STM中，探针与样品之间的相互作用力主要是电荷之间的库仑作用力。
当探针和样品表面之间存在一定的电压差时，电子会通过隧道效应穿过探针与样品之间的空隙，形成隧道电流。
根据隧道电流的强度，可以推断出样品表面的形貌信息。
通过调整电压和探针的位置，可以扫描整个样品表面，并获得高分辨率的原子级图像。
与传统的光学显微镜相比，扫描探针显微镜具有更高的分辨率和更强的表面灵敏度。
它不依赖于样品的透明性或反射性，可以用于观察各种类型的样品，包括生物样品、纳米材料和表面结构复杂的材料等。
因此，扫描探针显微镜在材料科学、生物学和纳米技术等领域具有广泛的应用前景。
扫描探针显微镜成像原理
扫描探针显微镜成像原理扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy, SPM）是一种高分辨率的表面分析和制备技术，目前已经成为材料科学、物理学、化学、生物学等领域中不可或缺的工具。
其主要原理是利用探针在样品表面进行扫描，并通过感知器测量样品表面力、电流、电压等信号，以获得样品表面形貌、电荷分布、力和磁性等物理数据，从而实现对样品表面微观结构的观测和操纵。
SPM技术主要分为场发射扫描电子显微镜（Field Emission Scanning Electron Microscopy, FESEM）和扫描探针显微镜两大类。
扫描探针显微镜包括了原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）、磁力显微镜（Magnetic Force Microscopy, MFM）、静电力显微镜（Kelvin Probe Force Microscopy, KPFM）和电荷注入记录显微镜（Scanning Capacitance Microscopy, SCM）等多种类型。
本文将主要介绍原子力显微镜的成像原理。
原子力显微镜（AFM）是20世纪80年代初期发明的一种新型扫描探针显微镜。
它采用的是一种机械测量方法，利用管壳、针、针尖等传感器进行扫描，对样品表面进行接触式的探测，可以实现纳米级别的表面形貌检测和测量。
AFM显微镜主要由扫描机构、探针和控制系统组成。
扫描机构控制扫描探针在样品表面进行扫描，探针则负责探测样品表面的形态变化和材料力学性质。
控制系统则通过信号采集与处理，将探针扫描时所接收到的信号转换成图像。
探针是AFM图像获得的关键之一。
探针直接接触样品表面，测量样品表面形貌的方法是通过探针尖端与样品表面的相互作用来实现的。
探针通常是由硅或氮化硅材料制成，尖端则是采用电子束刻蚀、化学腐蚀、电解腐蚀或氙气离子束刻蚀的方法来加工制作。
当探针尖端接触到样品表面时，由于原子间作用力的存在，会产生相互作用力的变化。
利用扫描探针显微镜研究材料表面
利用扫描探针显微镜研究材料表面随着科技的不断进步，材料表面的研究变得愈发重要。
在材料科学中，材料表面的特性对于材料的性能、功能以及应用可能起着决定性的作用。
为了更好地理解材料表面的性质，人们使用了各种各样的技术，其中一种便是扫描探针显微镜。
扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy，SPM）是一种基于扫描探针的显微技术，通过探测器与样品之间的相互作用来研究材料表面的形态、结构以及性质。
这种技术具有高分辨率、高灵敏度和非破坏性等特点，能够在纳米尺度下观察和测量材料表面的微观结构和性质。
其中一种常见的扫描探针显微镜是原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）。
通过探针的尖端与样品表面的相互作用力，AFM能够绘制出材料表面的拓扑图像。
AFM可以实现高分辨率的表面测量，其分辨率可以达到纳米甚至次纳米级。
AFM的工作原理基于探针的尖端与样品表面之间的相互作用力。
探针的尖端通过弹性力与样品表面保持接触，并且在扫描过程中受到表面特征的影响。
通过感应探针尖端的弯曲变化，可以获取关于样品表面形貌以及力学性质等信息。
除了原子力显微镜，扫描探针显微镜还包括场发射显微镜（Field Emission Microscope，FEM）和电子探针显微镜（Electron Probe Microscope，EPM）等。
这些显微镜在不同的研究领域中发挥着重要的作用。
利用扫描探针显微镜进行材料表面研究可以帮助我们深入了解材料的结构和性质。
例如，通过观察材料表面的拓扑图像，可以分析材料的表面形状、纹理以及粗糙度等特征。
这对于材料的制备和性能的改善非常重要。
此外，扫描探针显微镜还可以用于研究材料表面的化学性质。
通过结合特定的化学探针，可以实现对材料表面化学组成和反应的表征。
这有助于我们了解材料的化学性质，并且为材料的应用提供参考。
扫描探针显微镜在材料科学领域的应用非常广泛。
它可以应用在金属、陶瓷、半导体、生物材料等各种类型的材料中。
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
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。
（2）隧道电流
扫描隧道显微镜是将原子线度的探针和样品表 面作为两个电极，当样品和针尖的距离非常接近时 （通常小于1nm），在外加电场的作用下，电子会 穿过两电极之间的势垒流向另一电极，从而形成隧 道电流。因此，STM图像是样品表面原子几何结构 和电子结构的综合效应的结果。
控制探针在被检测样品的表面进行扫描，同时记录下 扫描过程中探针尖端和样品表面的相互作用，就能得到 样品表面的相关信息。
利用这种方法得到被测样品表面信息的分辨率取决于 控制扫描的定位精度和探针作用尖端的大小（即探针的 尖锐度）。
SPM的特点
原子级高分辨率 ； 实空间中表面的三维图像 ； 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; 可以得到有关表面结构的信息，例如表面不同
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。
Gerd Binning (IBM) (1947-)
Heinrich Rohrer (Zurich) (1933-)
In Touch with Atoms
In Touch with Atoms
美国商用机 器公司利用STM 直接操作原子， 成功地在Ni上， 按自己的意志安 排原子合成IBM 字样。
STM的优点
1. 高分辨率，分辨率横向0.1nm、纵向0.01nm； 2. 可实时地得到在实空间中表面的三维图象； 3. 可观察单个原子层的局部表面结构； 4. 可在真空、大气等不同环境下工作，甚至可将样品浸在
扫描探针显微镜工作原理
扫描探针显微镜工作原理
扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是一种
高分辨率显微镜，能够实现对物质表面的原子级别成像。
其工作原理基于显微针（probe）的扫描和相互作用力的测量。
1. 探针的制备：显微针一般是由导电材料制成，如金属或半导体材料。
常用的探针形状包括尖锐的金字塔、圆锥或纳米线等。
2. 扫描：探针通过微机械控制精确地扫描物体表面。
扫描方式一般有两种：原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）和隧道电子显微镜（Scanning Tunneling Microscopy，STM）。
3. 相互作用力测量：
- AFM：探针尖端与样品表面之间的相互作用力会改变探针
的弯曲度或振动频率，并通过探针弹性常数和振幅的变化来测量相互作用力。
常用的工作模式有接触模式、非接触模式和谐振模式。
- STM：通过将探针靠近样品表面，利用隧道效应中的电子
隧道电流来实现相互作用力测量。
由于隧道电流强依赖于针尖与样品之间的距离，通过测量电流变化可以获得样品表面的几何拓扑图像。
4. 数据处理和成像：根据探针的扫描轨迹和相互作用力的测量结果，可以得到物体表面的几何形貌和性质。
通过计算机图像处理算法进行数据处理和分析，可以生成高分辨率的原子级别表面成像。
扫描探针显微镜具有高分辨率、操作灵活等优点，并可以应用于材料科学、生物学、纳米技术等领域的研究和应用。
扫描探针显微镜
College of MSE, CQU
材料现代分析方法
扫描探针显微镜分析技术
STM应用例－铜单晶表面吸附的硫酸根离子
在电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶(111) 表面的STM图象。图中硫酸根离子吸附状态的一级和二 级结构清晰可见。
College of MSE, CQU 20
材料现代分析方法
STM加工例－文字的书写
从MoS2表面除去S原子写 成原子文字“PEACE 91”
从MoS2表面除去S原子的 操作方法
28
College of MSE, CQU
材料现代分析方法
扫描探针显微镜分析技术
STM应用例－世界上最小的广告
5nm/个
Xe
Ni
1990年1月，IBM公司的科学家在金属镍表面用35个惰性气体 氙原子写出“IBM”三个英文字母。试验发现STM的探针不仅能 得到原子图象，而且可以将原子吸住，搬运到另一个地方放下。
College of MSE, CQU
检测的物理量
隧道电流 原子力 近接场光 磁力 摩擦力 超音波 离子传导
8
材料现代分析方法
扫描探针显微镜分析技术
扫描隧道显微镜（STM）
量子力学原理：
根据量子力学理论和科学实验证明，当具有电位 势差的两个导体之间的距离小到一定程度时，电 子将穿透两导体之间的势垒从一端向另一端跃 迁。这种电子跃迁的现象在量子力学中被称为隧 道效应，而跃迁形成的电流叫做隧道电流。隧道 电流有一种特殊的性质，既对两导体之间的距离 非常敏感，如果把距离减小0.1纳米，隧道电流就 会增大一个数量级。 STM就是利用了这种隧道效 College of MSE, CQU 9 应。
College of MSE, CQU 4
扫描探针显微镜spm、afm
扫描探针显微镜（scanning probe microscope,SPM） 一、 设备简介：该仪器集成原子力显微镜(AFM)、摩擦力显微镜(LFM)、扫描隧道显微镜(STM)、磁力显微镜(MFM)和静电力显微镜(EFM) 于一体，具有接触、轻敲、相移成像、抬起等多种工作模式，能够提供全部的原子力显微镜 (AFM) 和扫描隧道 (STM) 显微镜成像技术，可以测量样品的表面特性，如形貌、粘弹性、摩擦力、吸附力和磁/电场分布等等。
●分辨率原子力显微镜(AFM)：横向 0.26nm, 垂直 1nm（以云母晶体标定） 扫描隧道显微镜(STM)：横向 0.13nm, 垂直 0.1nm（以石墨晶体标定）●机械性能样品尺寸：最大可达直径12mm，厚度8mm扫描范围：125X125μm，垂向1μm●型号：Veeco NanoScope MultiMode扫描探针显微镜本次培训着重介绍该设备常用模式：Contact Mode AFM二、AFM独特的优点归纳如下:(l)具有原子级的超高分辨率。
理论横向分辨率可达0.1nm，而纵向分辨率更高达0.01nm。
，从而可获得物质表面的原子晶格图像。
(2)可实时获得样品表面的实空间三维图像。
既适用于具有周期性结构的表面，又适用于非周期性表面结构的检测。
(3)可以观察到单个原子层的局部表面性质。
直接检测表面缺陷、表面重构、表面吸附形态和位置。
２０１２ｉｓ ｃｏｍｉｎｇ(4)可在真空、大气、常温、常压等条件下工作，甚至可将样品浸在液体中，不需要特殊的样品制备技术。
三、AFM的基本原理:AFM基于微探针与样品之间的原子力作用机制。
以带有金字塔形微探针的“V”字形微悬臂(Cantilever)代替STM的针尖，当微探针在z向逼近样品表面时，探针针尖的原子与样品原子之间将产生一定的作用力，即原子力，原子力的大小约在10-8~10-12N之间。
与隧道电流类似，原子力的大小与探针一样品间距成一定的对应关系，这种关系可以由原子力曲线来表征一般而言，当探针充分逼近样品进入原子力状态时，如两者间距相对较远，总体表现为吸引力;当两者相当接近时，则总体表现为排斥力。
扫描探针显微镜简介
2
第一部分
扫描隧道显微镜
Scanning Tunneling Microscope
检测器测量到这些交替变化的振幅值,再通过反馈回路,调整针尖 与样品之间的距离，保证振幅恒定在某一个恒定值,这样针尖在扫描 过程中的运动轨迹就反映了样品的表面形貌。
21
Atomic Force Microscope
• AFM characteristic
（一）在大气中，原子力显微镜同样具有原子级的分辨率。 （二）原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体， 从而弥补了STM的不足。 （三）可以进行样品高度方向的测定。
• Operating modes of AFM
– Static atomic force microscopy
Fts=constant – Dynamic atomic force microscopy
19
Atomic Force Microscope
Dynamic atomic force microscopy
10
SPM Family Tree
C-AFM
SThM LFM FMM PFM NSOM STS Standard modes Optional modes
11
EFM SCM
NC-AFM (DFM)
MFM
STM
第二部分 原子力显微镜
Atomic Force Microscope
Atomic Force Microscope
【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)
原子成像技术的发展方法及应用
原子成像技术的发展方法及应用随着科技的不断进步，人类对于物质结构的了解越来越深入。
原子成像技术是一种非常重要的技术手段，可以帮助科学家们深入了解物质内部的结构和性质。
本文将从原子成像技术的发展方法和应用方面进行探讨。
一、原子成像技术的发展方法1. 扫描探针显微镜扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy，SPM）是原子成像技术的核心手段之一。
它是一种利用探针来扫描样品表面，通过探针的运动所带来的力信号来获取样品的表面形貌和物理性质的方法。
SPM包括原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）和扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy，STM）等等。
AFM是一种利用力作为信号测量样品表面形貌和物理性质的显微镜。
它的探针端装有细微探针，通过控制探针的高度来扫描样品表面。
同时，探针的弯曲程度也变化了，可以通过细节来找出样品表面上的凸起和凹陷。
AFM有很多优点，如高分辨率、灵敏度高、可控性强等等，因此它被广泛应用于材料科学、生物学、纳米科技等研究领域。
而STM则是一种利用隧穿电流测量样品表面形貌和物理性质的显微镜。
STM的探针端和样品之间存在一个纳米级隙缝，通过控制探针和样品之间的距离，实现了电子的隧穿效应。
因此，STM可以在原子尺度内精确地探测出样品的表面形貌和电子性质。
STM是第一种能够在单个原子层上成像的技术，其分辨率可以达到0.1纳米级别。
2. 透射电子显微镜透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy，TEM）是另一种常用的原子成像技术。
通过TEM可以获取纳米级别的原子层面结构，对物质进行高分辨率成像。
TEM能够精确地弥补AFM 在三维成像上的不足，利用高压加速器产生能量较高的高速电子穿过样品后，通过显微镜将穿过样品的电子进行成像。
TEM有很多优点，如分辨率高、成像速度快、样品多样性高等等。
扫描探针显微镜使用方法说明书
扫描探针显微镜使用方法说明书使用扫描探针显微镜的方法说明书第一部分：引言在科学研究和相关学科领域，显微镜是一种不可或缺的工具。
扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，简称SPM）是一种非常重要的显微镜，广泛应用于纳米尺度下的表面形貌观测和材料性质的测量。
本说明书将为您介绍扫描探针显微镜的使用方法。
第二部分：仪器基本构造SPM主要由扫描单元和控制单元组成。
扫描单元包括扫描探针和样品台，控制单元包括控制面板和电脑连接接口。
第三部分：准备工作1. 确保实验室环境整洁、无尘，并保持适宜的温度和湿度。
2. 打开仪器电源，确保所有指示灯均正常亮起。
3. 检查样品台表面有无杂质，如果有，请使用无尘纱布轻轻擦拭。
4. 准备扫描探针，从存放盒中取出并确认表面无损伤。
5. 将扫描探针插入扫描单元，确保连接牢固。
第四部分：操作步骤1. 打开控制面板软件，并连接SPM仪器。
2. 在软件界面上选择合适的扫描模式，如原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）或磁力显微镜（Magnetic Force Microscopy，MFM）。
3. 设定扫描参数，包括扫描速度、扫描范围和采样点数等。
4. 载入样品，切记保持样品平整，并固定在样品台上。
5. 选择适当的探针和扫描模式，并进行扫描区域的选择。
6. 开始扫描，观察样品表面的变化，并通过显微镜界面实时监控。
7. 根据需要调整扫描参数，以获得更准确的结果。
第五部分：操作注意事项1. 操作前确保已仔细阅读仪器的用户手册，并按照说明进行操作。
2. 避免直接用手触摸样品和探针，在操作过程中需佩戴手套，以防止外界污染。
3. 注意仪器的安全使用，避免碰撞或震动。
4. 在操作过程中要保持耐心，避免过度扫描或频繁更换探针。
5. 定期对仪器进行维护和校准，以保证其稳定性和准确性。
第六部分：结果分析与展示扫描探针显微镜可以获得高分辨率的表面形貌图像和有关材料性质的信息。
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(SPM)原理简介及操作(修正版)
扫描探针显微镜（SPM）原理简介庞文辉 2012.2.22一、SPM定义扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是扫描隧道显微镜及在扫描隧道显微镜的基础上发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，包括多种成像模式，他们的共同特点是探针在样品表面扫描，同时针尖与样品间的相互作用力被记录。
SPM的两种基本形式：1、扫描隧道显微镜（Scanning Probe Microscope,STM）2、原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）AFM有两种主要模式：●接触模式（contact mode）●轻敲模式（tapping mode）SPM的其他形式：●侧向摩擦力显微术（Lateral Force Microscopy）●磁场力显微镜（Magnetic Force Microscope）●静电力显微镜（Electric Force Microscope）●表面电势显微镜（Surface Potential Microscope）●导电原子力显微镜（Conductive Atomic Force Microscope）●自动成像模式（ScanAsyst）●相位成像模式（Phase Imaging）●扭转共振模式（Torisonal Resonance Mode）●压电响应模式（Piezo Respnance Mode）●……二、STM原理及应用基于量子力学中的隧穿效应，用一个半径很小的针尖探测被测样品表面，以金属针尖为一电极，被测固体表面为另一电极，当他们之间的距离小到1nm左右时，形成隧道结，电子可从一个电极通过量子隧穿效应穿过势垒到底另一个电极，形成隧穿电流。
在极间加很小偏压，即有净隧穿电流出现。
隧穿电流与两极的距离成指数关系，反馈原理是采用横流模式，当两极间距不同（电流不同），系统会调整Z轴的位置从而成高度像。
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。
Chapter 2.3.Scanning Probe Microscope
乳胶薄膜的AFM图(A)和三维立体图(B) (单位:nm)
A
B
有严重缺陷(A)和较为完美(B)的高分子镀膜（单位:nm)
扫描探针显微镜的应用 &呈现原子或分子的表面特性
a)STM image of the short-range ordering of head-to-tail coupled poly(3-dodecylthiophene) on highly oriented pyrolytic graphite (20× 20nm); b)calculated model of poly(3-dodecylthiophene) corresponding to the area enclosed in the white square in (a); c) three-dimensional image of 3 showing submolecular resolved chains and folds (9.3×9.3nm2)[7]
STM的应用微电子学研究
微电子器件的制造过程中 能在不接触表面的情况下绘制出电子元件 表面图象，不论这些元件的组成成份如 何，这对监督和改进亚微米集成电路的工 艺具有突出的作用。 具有不损伤器件的特点以及高的空间分辨 率
扫描探针显微镜的应用
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.
1986年，STM的发明者宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。
葛·宾尼(Gerd Binning)
海·罗雷尔(Heinrich Rohrer)
扫描探针显微镜的产生
扫描隧道显微镜 （STM） 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）
Scanning Probe Microscopy 扫描探针显微镜
Non-Contact Mode
• Tip is oscillated outside of the repulsive regime
Magnetic Force Microscopy (MFM)
Coated with a magnetic covering Two modes of operation • Non-vibrating for larger magnetic fields • Vibrating for weaker fields that require a greater sensitivity
• More rigid set up • “Jump to contact” problem is almost eliminated
Disadvantages
• Can be very difficult to set up • Probe tip is very hard to reproduce reliably
Change in current is a result of a change in the tip-sample separation
Shear Force Microscopy (ShFM)
Probe oscillates parallel to the specimen Advantages
Scanning Near Field Optical Microscopy (SNOM)
Typical optical microscopes
• Limited by the Abbe diffraction barrier • Resolution equal to one half of the wavelength of the light
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扫描探针显微镜（scanning probe microscope,SPM） 一、 设备简介：
该仪器集成原子力显微镜(AFM)、摩擦力显微镜(LFM)、扫描隧道显微镜(STM)、磁力显微镜(MFM)和静电力显微镜(EFM) 于一体，具有接触、轻敲、相移成像、抬起等多种工作模式，能够提供全部的原子力显微镜 (AFM) 和扫描隧道 (STM) 显微镜成像技术，可以测量样品的表面特性，如形貌、粘弹性、摩擦力、吸附力和磁/电场分布等等。
●分辨率
原子力显微镜(AFM)：横向 0.26nm, 垂直 1nm（以云母晶体标定） 扫描隧道显微镜(STM)：横向 0.13nm, 垂直 0.1nm（以石墨晶体标定）●机械性能
样品尺寸：最大可达直径12mm，厚度8mm
扫描范围：125X125μm，垂向1μm
●型号：
Veeco NanoScope MultiMode扫描探针显微镜
本次培训着重介绍该设备常用模式：Contact Mode AFM
二、AFM独特的优点归纳如下:
(l)具有原子级的超高分辨率。
理论横向分辨率可达0.1nm，而纵向分辨率更高达0.01nm。
，从而可获得物质表面的原子晶格图像。
(2)可实时获得样品表面的实空间三维图像。
既适用于具有周期性结
构的表面，又适用于非周期性表面结构的检测。
(3)可以观察到单个原子层的局部表面性质。
直接检测表面缺陷、表面重构、表面吸附形态和位置。
(4)可在真空、大气、常温、常压等条件下工作，甚至可将样品浸在液体中，不需要特殊的样品制备技术。
三、AFM的基本原理:
AFM基于微探针与样品之间的原子力作用机制。
以带有金字塔形微探针的“V”字形微悬臂(Cantilever)代替STM的针尖，当微探针在z向逼近样品表面时，探针针尖的原子与样品原子之间将产生一定的作用力，即原子力，原子力的大小约在10-8~10-12N之间。
与隧道电流类似，原子力的大小与探针一样品间距成一定的对应关系，这种关系可以由原子力曲线来表征一般而言，当探针充分逼近样品进入原子力状态时，如两者间距相对较远，总体表现为吸引力;当两者相当接近时，则总体表现为排斥力。
原子力变化的梯度约为10-13N/nm。
原子力虽然很微弱，但是足以推动极为灵敏的微悬臂并使之偏转一定的角度。
因此，微悬臂的偏转量与探针一样品间距成对应关系，在对样品进行XY扫描时，检测这一偏转量，即可获得样品表面的微观形貌。
图表 1 AFM原理示意图
图表 2 AFM测试点示意图
四、启用AFM(contact)功能测试步骤： 开机顺序：
z开启设备电脑开关及双屏显示器；
z开启显微镜光源；
z开启光学显微镜CRT显示器电源；
z将设备主部隔尘罩小心地取下，将显微镜调整至设备主机方向，光斑打到载物台中心处；
z打开设备主机电源，在主机controller的控制板上，确认AFM模式；
z打开pc中的 软件，激活软件与设备主机连接图标；
z在软件中设置当前样品需要的扫描范围，台阶高度，扫描速度等参数；台阶高度不可超多1μm，扫描速度设置在5μm/s以内为宜；
z倾斜着取下AFM针夹具，倒置于滤纸上，放于衣袖碰触不到的地方，以免碰伤悬臂
z放样品，样品粘于专用样品台片上，
z调整样品位置，在CRT上观察确定样品测试点位于下针位置附近；z放置AFM测试夹具，一定要小心，注意观察悬臂与样品表面的距离，若相距太近，则将测试夹具小心取出，放置妥当后，使用手动抬针方法将三个支柱抬高，同时保证三支柱设备光路台面水平；z高度调节到安全距离以后，小心地放入AFM针测试夹具,用肉眼结合CRT上观察确定样品与针的保持一段距离；
z固定夹具，此时主机显示屏上，标定激光器电压的SUM值为7V左右;
z探测器的水平偏差值（Horiz）接近0.0V,垂直偏差（Vert）接近
-2.0V；
z开始手动下针，注意时时观察光学显微镜CRT，下针过程中注意三轴的同步；
z当样品表面与悬臂焦距接近时，调节此时的horizontal deflection和vertical deflection值，分别至0V和-0.7～-0.8V 附近
z单击启动软件中自动下针控件，下针过程中注意观察主机中的水平偏差值（Horiz）和垂直偏差（Vert），示值趋势是减小的为正常；
z下针完成后，将扫描频率调低（即降低扫描速度），设置X轴与Y 轴的offset值（offset范围不得超过70μm），确定扫描位置和范围后，重新开始从上往下或从下往上扫描，并拍取图象。
z扫描完毕后，软件抬针，处理数据，保存。
z手动抬针，小心地将夹具取出，置于安全的位置，再取出样品，将载样品的圆片置于培养皿中，针测试夹具放回设备主机中。
关机顺序：
z关闭设备主控电源；
z关闭光学显微镜CRT电源、光源；
z将光学显微镜置于原本所在方向，盖上物镜盖；
z将主机隔尘罩小心的罩于主机上；
z关闭计算机电源及双屏显示器电源；
五、注意事项：
z此为精密设备，需倍加爱护；
z该设备需熟练掌握下针技巧后，才可独立操作；
z针夹具取出后，一定倒置于滤纸上，并保证放于衣袖碰触不到的地方；
z下针过程中注意观察主机中的水平偏差值（Horiz）和垂直偏差（Vert），示值趋势是减小的为正常；
z显微镜视场光斑打到样品台中心位置，保证样品台平整时，针在视场的中心位置；
z手动下针的过程中，调三轴调节钮时，注意观察水平偏差值（Horiz）和垂直偏差（Vert）；
z自动下针完成后，在调节X,Y offset确定扫描位置和范围的时候，务必先将采样频率降低；
z测试过程中，密切注意测试状态：显示CRT上针的状态及软件中可能出现超限提示的部分；
z测试过程中，尽量保正环境气流稳定，请缓慢行走，轻轻关门；
六、本设备其它功能：
以下为本设备理论上可实现的各种功能（需要购买相应配件予以实施）：
Appendix：
The MultiMode performs a full range of SPM techniques for surface characterization of properties like topography, elasticity, friction, adhesion, electrical and magnetic fields:
Tapping Mode
Contact Mode AFM
Phase Imaging
Lateral Force Microscopy (LFM)
Magnetic Force Microscopy (MFM)
Scanning Tunneling Microscopy (STM)
Force Modulation
Electric Force Microscopy (EFM)
Scanning Capacitance Microscopy (SCM)
Surface Potential Microscopy
Force-Distance and Force-Volume Measurements
Nanoindenting/Scratching
Electrochemical Microscopy (ECSTM and ECAFM) Phase Imaging
PicoForce Force Spectroscopy
and many more。