扫描探针显微镜
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。
第八章扫描探针显微镜ppt课件
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
科学家把碳60分子每十个一组放在铜的表面组成了世界 上最小的算盘。
1990年，美国圣荷塞IBM阿尔马登研究所D. M. Eigler等 人在超真空环境中，用35个Xe原子排成IBM三个字母， 每个字母高5 nm，Xe原子间的最短距离为1 nm。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
重要意义：SPM可操纵单原子、单分子技术，能使
人类从目前的微米尺度对材料的加工跨入到纳米尺度、 原子尺度，完成单分子、单原子、单电子器件的制作， 也可移动原子，构造纳米结构
早在1959年美国著名物理学家，诺贝尔奖金获得者费 曼就设想：“如果有朝一日，人们能把百科全书存储 在一个针尖大小的空间内，并能移动原子，那将给科 学带来什么？”这正是对于纳米科技的预言，也就是 人们常说的小尺寸大世界。
扫描探针显微镜产生的必然性
表面结构分析仪器的局限性
1932年
Ruska Knoll
电子显微镜
透射 电子 显微
镜
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
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
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。
扫描探针显微镜的原理
扫描探针显微镜的原理你可以把扫描探针显微镜想象成一个超级超级精细的小探子。
这个小探子可不得了呢，它能让我们看到超级小的东西，小到啥程度呢？就是那些纳米级别的小物件。
那它是怎么做到的呢？它有一个特别尖的探针，这个探针就像是我们的手指头，不过比手指头可精细多了。
这个探针靠近我们要观察的样品表面，近到什么程度呢？近到能感受到样品表面原子的高低起伏呢。
当探针靠近样品的时候啊，就会有一些奇妙的相互作用。
比如说有隧穿电流这种东西。
就好像是在微观世界里，有一些调皮的小电流精灵，它们会在探针和样品之间悄悄穿梭。
如果样品表面高一点，那这个隧穿电流就会大一点；如果样品表面低一点呢，隧穿电流就会小一点。
这就像是在玩一个很微妙的游戏，电流随着样品表面的起伏而变化。
然后呢，这个显微镜就会根据这些电流的变化来绘制出样品表面的样子。
就像我们画画一样，根据不同的电流大小，在电脑上或者记录的地方画出高低起伏的线条，这样就一点点把样品表面的微观结构给呈现出来了。
还有哦，这个探针在样品表面移动的时候，就像是一个小小的探险家在一个神秘的微观世界里探险。
它移动得非常非常慢，这样才能精确地感受到每一个小地方的不同。
你想啊，这就好比我们在一个布满小丘陵和小山谷的微观大地上，探针就像是一个超级敏感的小脚丫，每走一步都能感觉到地面的高低不平，然后把这种感觉转化成我们能看到的图像。
而且啊，扫描探针显微镜还不只是能看到表面的高低起伏呢。
它还能感受到样品表面的一些其他特性，比如说力的作用。
就像是这个探针能感觉到样品表面原子之间的那种小拉力或者小推力。
这就更神奇了，就好像这个探针能和原子对话一样，知道它们之间的小秘密。
这个扫描探针显微镜啊，就像是打开微观世界大门的一把神奇钥匙。
它让科学家们能够看到那些以前想都不敢想的微观结构。
比如说研究那些超级小的生物分子，就像小细菌的小部件啦，或者是研究一些新型材料的微观结构，看看那些原子是怎么排列组合的，就像看一群小蚂蚁是怎么排队的一样有趣。
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。
第八章 扫描探针显微镜ppt
扫描探针显微镜的特点
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。
1932年
Ruska
Knoll
电子显微镜
透射 电子 显微 镜
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
扫描探针显微镜产生的必然性
低能电子衍射 和 X射线衍射 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 场电子显微镜 和 场离子显微镜
扫描探针显微镜的应用 用于研究物质的动力学过程
Continuous AFM height images of melt-crystallized poly[(R)-3-hydroxybutyric acid ](PH3B) thin film before (A) and during (B-F) enzymatic degradation by PHB depolymerase from Ralstonia pickettii T1 at 20℃ [9]
Diameter-Dependent Growth Direction of Epitaxial Silicon Nanowires[5]
SPM (scanning probe microscope) 发展史
1981年IBM公司G. Binning和H. Rohrer发明了扫描隧道显微镜 (STM)， 1986年获诺贝尔物理奖。STM使人类第一次跨入原子 世界，直接观察物质表面的单个原子。 1985年G. Binning在STM的基础上发明原子力显微镜（AFM） 随后又相继发明了 力调制显微镜 (FMM) 相位检测显微镜 (PDM) 静电子显微镜 (EFM) 电容扫描显微镜 (SCM) SPM 热扫描显微镜 (SThM) 近场光隧道扫描显微镜 (SNOM) 等等
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
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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)
扫描探针显微镜(共80张PPT)
扫描隧道显微镜的装置
STM是一种近场成像仪器,针尖与样 品之间的距离S通常小于1nm.
自从首次STM诞生以来,目前商品化的 STM已采用了各种先进技术和多项改 进系统.已成为一种先进的形貌观测仪 器被广泛应用.但基本组成没有变化.
压电陶瓷能简单地将1mv—1000v的电信 号转换成十几分之一nm到数微米的机械 位移，完全满足STM三维扫描控制精度 的要求。
1.2.3 电子系统 STM是一个纳米级的随动系统，其电子系 统和机械系统一样，是为高精度的扫描服 务的。
其核心是有一个高精度、增益的反馈系统 。
1.2.4 隧道针尖
因此探针与表面之间会产生电流，该电流
称隧道电流（见图26.1）
隧道电流的强度与针尖和样品间距S成指 数关系，对间距S的变化非常敏感，STM 就是利用这一原理来工作的。
它的工作模式有两种：
恒高模式
恒流模式
① 恒流模式：
探针在样品表面扫描时，通过反馈 回路控制隧道电流恒定不变，即探针与 样品表面相对距离保持恒定，这时探针 沿xy平面内扫描时在z轴方向的运动就反 பைடு நூலகம்了样品表面的高低起伏，这种扫描模 式叫恒流模式。
新鲜处理的W针尖在空气中可使用数小 时到十数小时。 W针尖的制备方法： 电化学腐蚀法
直流法 交流法 图2.8示出直流法的电解装置图。
Pt-Ir针尖的制备，是采用最简单的机械 加工法。
即直接用剪刀将金属丝按一定倾角剪成 针尖形状，经验表面，如此得到的Pt-Ir 针尖和W针尖均可用于原子级的高分辨成 像。
悬簧系统的缺点是尺寸大。
（2) 平板-弹性体堆垛系统：由橡胶块分 割的多块金属扳堆累而成，首先被用于 袖珍型STM。
扫描探针显微镜简介
Applic
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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。 （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， （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。 从而弥补了STM的不足。 （三）可以进行样品高度方向的测定。 金属，半导体以及陶瓷，有机物，高分子。生物体样 品等无需进行镀导电膜等前处理，可以在大气中进行高分 辨率的观察，得到从数千倍到数百万倍高放大倍数的样品 表面凹凸像。样品高度方向的分辨率也很高，可以进行材 料表面粗糙度的精密测定。
• Cantilever tips
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Atomic Force Microscope
• Measurement of cantilever deflection
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Atomic Force Microscope
• Cantilever tips
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Atomic Force Microscope
10
SPM Family Tree
C-AFM
SThM LFM FMM PFM NSOM STS Standard modes Optional modes
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EFM SCM
NC-AFM (DFM)
MFM
STM
第二部分 原子力显微镜 Atomic Force Microscope
Atomic Force Microscope
6
Scanning Tunneling Microscope
• Tunneling current in scanning tunneling microscopy
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。
扫描探针显微镜课件
振动的试件驱动微悬臂 振动
力梯度F’使微悬臂的共振产生变化
敲击模式的特点：
敲击模式没有接触模式的分辨率高；
在一定程度上减小样品对针尖的粘滞现象，因为针尖与样 品表面接触时，利用其振幅来克服针尖-样品间的粘附力；剪切力的影响都比较小，减小扫描过程中针尖对样品的损 坏；
在一般情况下，以上两种减震措施基本上能够 满足扫描隧道显微镜仪器的减震要求。某些特 殊情况，对仪器性能要求较高时，还可以配合 诸如磁性涡流阻尼等其它减震措施。测量时， 探测部分(探针和样品)通常罩在金属罩内，金 属罩的作用主要是对外界的电磁扰动、空气震 动等干扰信号进行屏蔽，提高探测的准确性。
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 V02
E)
e
2a
2m(V0 E )
实验设想：
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；
当样品与针尖距离非常接近 (通常小于1nm) ； 加入外加电场的作用下。
结果：电子会穿过两个电极之间的势垒流 向另一电极，形成电流，即隧道电流。
与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂 （cantilever）摆动，所以当激光照射在 cantilever的末端时，其反射光的位置也会因 为cantilever摆动而有所改变，这就造成偏移 量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置 检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以 供控制器作信号处理。
反馈系统： 在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号
压电现象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（多晶陶瓷材料，钛酸锆酸铅 [Pb(Ti,Zr)O3](简称PZT)和钛酸钡等）
SPM产品介绍和应用指南
SPM产品介绍和应用指南SPM（扫描探针显微镜）是一种先进的显微镜技术，它能够以原子级的分辨率观察和测量样品的表面形貌和特性。
SPM技术在材料科学、纳米技术、生物医学等领域具有广泛的应用。
一、SPM产品介绍SPM技术主要由扫描探针、样品台和探针针尖三部分组成。
其中，探针是SPM的核心部件，它负责对样品进行扫描和测量。
探针针尖的尖端具有原子级的尺寸，通过探针与样品之间的相互作用，可以得到样品表面的拓扑结构、电荷分布和力学性质等信息。
样品台是用于固定和定位样品的平台，保证样品和探针之间的稳定位置关系。
SPM产品通常包括原子力显微镜（AFM）、扫描隧道显微镜（STM）和近场光学显微镜（NSOM）等多种类型。
AFM是SPM技术中最常用的一种，它通过探针的弹簧式接触与样品表面相互作用，获得样品的表面形貌。
STM则是利用电子的量子隧穿效应，通过测量电流来获取样品表面的原子位置和电子状态。
NSOM则结合近场光学和SPM技术，能够实现纳米级分辨率的光学显微镜成像。
二、SPM应用指南1.表面形貌研究：SPM可以对物体表面进行高分辨率的三维成像和形貌重建，对于研究材料的表面形貌变化、粗糙度和纳米结构具有重要意义。
特别是在纳米材料和纳米器件的研究中，SPM可以提供丰富的形貌信息。
2.力谱学分析：SPM可以通过测量探针与样品之间的相互作用力，获取样品的力学性能。
通过应变-应力关系的分析，可以得到材料的弹性模量、硬度和体积变形等性质。
3.电学性能研究：SPM可以检测和测量样品的电流、电压、电荷分布等电学性质。
尤其是在半导体器件和电子元器件的研究中，通过SPM技术可以实现对局部电学性能的定量分析。
4.生物医学研究：SPM在生物医学领域中发挥着重要的作用。
通过SPM技术，可以对生物样品的纳米结构、分子排列以及细胞结构进行研究。
并且，SPM技术还可以用于观察和测量细胞的力学特性，如柔软度和弹性变形等，对于癌细胞的早期诊断和治疗具有潜在的临床应用前景。
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5 反馈控制系统 AFM反馈控制是由电子线路和计算机系统共同完成的。 AFM的运行是在高速、功能强大的计算机控制下来实现的。 控制系统主要有两个功能：(1)提供控制压电转换器X-Y方向 扫描的驱动电压；(2)在恒力模式下维持来自显微镜检测环路 输入模拟信号在一恒定数值．计算机通过A/D转换读取比较 环路电压(即设定值与实际测量值之差)．根据电压值不同， 控制系统不断地输出相应电压来调节Z方向压电传感器的伸 缩，以纠正读入A/D转换器的偏差，从而维持比较环路的输 出电压恒定。 电子线路系统起到计算机与扫描系统相连接的作用，电子 线路为压电陶瓷管提供电压、接收位置敏感器件传来的信号 ，并构成控制针尖和样品之间距离的反馈系统。
第一台STM和AFM
原子力显微镜
扫描隧道显微镜
SPM概述－各类显微镜的比较
透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、场电子显微镜 （FEM ）、场离子显微镜（FIM）、低能电子衍射（LEED）、俄歇谱仪 （AES）、光电子能谱（ESCA）、电子探针 局限性： LEED及X射线衍射等衍射方法要求样品具备周期 性结构;光学显微镜和SEM的分辨率不足以分辨出表 面原子 高分辨TEM主要用于薄层样品的体相和界面研究 FEM和FIM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，可用 来作为样品的研究对象十分有限； X射线光电子能谱(ELS)等只能提供空间平均的电 子结构信息 上述一些分析技术对测量环境也有特殊要求，例 如真空条件等。
二、 原子力显微镜的分辨率
原子力显微镜分辨率包括侧向分辨率和垂直分 辨率．图像的侧向分辨率决定于两种因素：采集 团像的步宽(Step size)和针尖形状． 1. 步宽因素 原子力显微镜图像由许多点组成，其采点的形 式如图3.3所示．扫描器沿着齿形路线进行扫描， 计算机以一定的步宽取数据点．以每幅图像取 512x 512数据点计算，扫描1μm x1μm尺寸图像 得到步宽为2nm(1μm／512)，高质量针尖可以提 供1~2nm的分辨率．由此可知，在扫描样品尺寸 超过1μm x1μm时，AFM的侧向分辨率是由采集 图像的步宽决定的。
四、 原子力显微镜工作环境
原子力显微镜受工作环境限制较少，它可以在超高真空、气 相、液相和电化学的环境下操作。 (1)真空环境：最早的扫描隧道显微镜(STM)研究是在超高真空下进 行操作的。后来，随着AFM的出现，人们开始使用真空AFM研 究固体表面．真空AFM避免了大气中杂质和水膜的干扰，但其 操作较复杂。 (2)气相环境：在气相环境中，AFM操作比较容易，它是广泛采用 的一种工作环境．因AFM操作不受样品导电性的限制，它可以 在空气中研究任何固体表面，气相环境中AFM多受样品表面水 膜干扰。 (3)液相环境：在液相环境中．AFM是把探针和样品放在液池中工 作，它可以在液相中研究样品的形貌．液相中AFM消除了针尖 和样品之间的毛细现象，因此减少了针尖对样品的总作用力． 液相AFM的应用十分广阔，它包括生物体系、腐蚀或任一液固 界面的研究． (4)电化学环境：正如超高真空系统一样，电化学系统为AFM提供 了另一种控制环境．电化学AFM是在原有AFM基础上添加了电 解池、双恒电位仪和相应的应用软件．电化学AFM可以现场研 究电极的性质．包括化学和电化学过程诱导的吸附、腐蚀以及 有机和生物分子在电极表面的沉积和形态变化等。
2. 针尖因素
AFM成像实际上是针尖形状与表面形貌作用的结果，针尖 的形状是影响侧向分辨率的关键因素。针尖影响AFM成像主要 表现在两个方面：针尖的曲率半径和针尖侧面角，曲率半径决 定最高侧向分辨率，而探针的侧面角决定最高表面比率特征的 探测能力．如图3.4所示，曲率半径越小，越能分辨精细结构 ．
2. 非接触成像模式 非接触式AFM中，探针以特定的频率在样品表面附近振动 ．探针和样品表面距离在几纳米到数十纳米之间．这一距离 范围在范德华力曲线上位于非接触区域．在非接触区域，探 针和样品表面所受的总力很小，通常在10-12N左右。在非接触 式AFM中，探针以接近于其自身共振频率 (一般为100kHz到 400kHz)及几纳米到数十纳米的振幅振动．当探针接近样品表 面时，探针共振频率或振幅发生变化检测器检测到这种变化 后，把信号传递给反馈系统，然后反馈控制回路通过移动扫 描器来保持探针共振频率或振幅恒定，进而使探针与样品表 面平均距离恒定，计算机通过记录扫描器的移动获得样品表 面形貌图。 非接触式AFM不破坏样品表面，适用于较软的样品．对于 无表面吸附层的刚性样品而言．非接触式AFM与接触式AFM 获得的表面形貌图基本相同．但对于表面吸附凝聚水的刚性 样品，情况则有所不同．接触式AFM可以穿过液体层获得刚 性样品表面形貌图，而非接触式AFM则得到液体表面形貌图 。
原子级（0.1nm）
无
点分辨率 （0.3-0.5nm） 晶格分辨率 （0.1-0.2nm）
6-10 n m
小
高真空室温Fra bibliotek小原子级
超高真空
30-80K
有
SPM概述－Scanning Probe Microscopy Family
Scanning probe microscopy (SPM) is a relatively new family of microscope that can measure surface morphology down to atomic resolution.
图3,4 不同曲率半径的针尖对球形物成像时的扫描路线
当针尖有污染时会导致针尖变钝(图4)，使得图像灵敏度下 降或失真，但钝的针尖或污染的针尖不影响样品的垂直分辨率 ．样品的陡峭面分辨程度决定于针尖的侧面角大小．侧面角越 小，分辨陡峭样品表面能力就越强，图5说明了针尖侧面角对 样品成像的影响。
图4 针尖污染时成像路线和相应形貌图
图5 不同侧面角针尖对样品表面成像路线影响
三、 原于力显微镜基本成像模式
原子力显微镜有四种基本成像模式，它们分别是 接触式(Contact mode)、非接触式(non-contact mode)、敲击式(tapping mode)和升降式(lift mode) ．
1. 接触成像模式 在接触式AFM中，探针与样品表面进行“软接触 ”．当探针逐渐靠近样品表面时，探针表面原子与 样品表面原子首先相互吸引，一直到原子间电子云 开始相互静电排斥．如图7所示。
SPM概述－独特优点
①
②
③
④
可在真空、大气、常温、溶液等不同环 境下工作，不需要特别的制样技术，并 且探测过程对样品无损伤。 设备相对简单、体积小、价格便宜、制 样容易、检测快捷、操作简便等特点。 得到的是样品表面的三维立体图像。 兼具“眼睛”和“手”的功能。
SPM概述－几种表面分析仪器的比较
仪器 扫描探针 显微镜（SPM ） 透射电镜 (TEM) 扫描电镜（ SEM） 场离子显微镜 （FIM） 分辨率 工作环境 实环境、大气 、溶液、真 空 高真空 室温 温度 对样品损伤
4 扫描系统 AFM对样品扫描的精确控制是靠扫描器来实现的． 扫描器中装有压电转换器．压电装置在X，Y，Z三个 方向上精确控制样品或探针位置。目前构成扫描器的 基质材料主要是钛锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3]制成的压电陶 瓷材料．压电陶瓷有压电效应，即在加电压时有收缩 特性，并且收缩的程度与所加电压成比例关系．压电 陶瓷能将1mv~1000V的电压信号转换成十几分之一 纳米到几微米的位移。
扫描探针显微镜
实验目的及要求 掌握AFM和MFM的基本原理
掌握AFM和MFM的操作和调试
观察样品的表面形貌和表面畴结构
扫描探针显微镜概述
定义
扫描探针显微镜
利用微小探针在样品表面扫描，通过 检测和控制探针与样品间相互作用的物 理量(隧道电流、原子间力、摩擦力、磁 力等)，来对样品微小区域表面进行形貌 检测及物性分析等的仪器的总称。
侧向摩擦力显微镜（Lateral Force Microscope , LFM） 摩擦力显微镜（Friction Force Microscope , FFM） 磁力显微镜(Magnetic Force Microscope , MFM) 静电力显微镜(Electric Force Microscopy , EFM) 扫描近场光学显微镜(Near-field Scanning Optical Microscopy , SNOM) – 扫描电化学显微镜(Scanning Electrochemical Microscopy , SECM)
这种静电排斥随探针与样品表面原子进一步靠近 ，逐渐抵消原子间的吸引力．当原子间距离小于 1nm，约为化学键长时，范德华力为0．当合力为正 值(排斥)时，原子相互接触．由于在接触区域范德 华力曲线斜率很高，范德华斥力几乎抵消了使探针 进一步靠近样品表面原子的推力．当探针弹性系数 很小时，悬臂发生弯曲．通过检测这种弯曲就可以 进行样品形貌观察。假如设计很大弹性系数的硬探 针给样品表面施加很大的作用力，探针就会使样品 表面产生形变或破坏样品表面．这时就可以得到样 品力学信息或对样品表面进行修饰．
发展历史
发明
– 1982年，在瑞士苏黎世的IBM实验室，宾尼格
(Binning), 罗赫尔(Rohrer)等发明了扫描隧道 显微镜（STM）。
发展
– 1986年，IBM和Stanford University合作
由Binning, Quate, and Gerber发明了原 子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM)。
3. 敲击成像模式 敲击式AFM与非接触式AFM比较相似，但它比 非接触式AFM有更近的样品与针尖距离．和非接触 式AFM一样，在敲击模式中，一种恒定的驱动力使 探针悬臂以一定的频率振动(一般为几百千赫)．振 动的振幅可以通过检测系统检测．当针尖刚接触到 样品时，悬臂振幅会减少到某一数值．在扫描样品 的过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒定 ．当针尖扫描到样品突出区域时．悬臂共振受到阻 碍变大，振幅随之减小．相反，当针尖通过样品凹 陷区域时，悬臀振动受到的阻力减小，振幅随之增 加。悬臂振幅的变化经检测器检测并输入控制器后 ，反馈回路调节针尖和样品的距离，使悬臂振幅保 持恒定．反馈调节是靠改变Z方向上压电陶瓷管电 压完成的。当针尖扫描样品时，通过记录压电陶瓷 管的移动就得到样品表面形貌图。