扫描电子显微镜与原子力显微镜技术之比较_陈耀文
扫描隧道显微镜与原子力显微镜
一、显微镜的发展
光学显微镜 高级显微镜
光学显微镜
16世纪末，荷兰的眼镜商Zaccharias Janssen, 第一台复合式显微镜，倍数太低
Leeuwenhoek磨制的单片显微镜的放大倍数 将近300倍
高级显微镜
1938年，德国工程师Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上第一台透射电子显微 镜（TEM） 1952年，英国工程师Charles Oatley制造 出了第一台扫描电子显微镜（SEM）
E
< V。时，薛定谔方程为 ：
解得：
结论：从上两式知，当E <V。时，同E >V 。 时的情况一样，既有反射波，又有透射波， 即低能粒子能穿过能量高于自身的势垒， 到达势垒的另一边。隧道效应得到量子力 学完美的解释。
2．工作原理
+
U －
由量子力学可知，金属表面以外的电子密度随x增大而按指数衰减， 衰减长度约为1nm。 隧道电流 如将两块金属靠得很近（距离小于1nm），它们表面的电子云就会 发生重叠。 如在这两金属间加一微小电压，即可观察到它们之间的隧道电流。 隧道电流的大小与哪些因素有关？
用STM移动氙原子排出的“IBM”图案
STM优点
1. 2. 3. 4. 5. 具有原子级高分辨率 可实时得到实空间中样品表面的三维图像 可以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 配合扫描隧道谱（STS）可以得到有关表面 电子结构的信息 6. 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
受样品因素限制较大（不可避免）
漫谈化工材料研究用的显微镜—SEM、TEM、AFM、STM
漫谈化工材料研究用的显微镜—SEM、TEM、AFM、STM陈老师（哲博检测，浙大国家大学科技园，Emal: ceshi@）化工材料的检测常常用到各种显微镜，如SEM、TEM、AFM、STM。
它们作用相近，却各有特点，灵活运用才能为材料的检测作出最大的贡献。
本文以散文形式漫谈了几种显微镜的原理、用途。
SEM：利用二次电子成像，表面5－10 nm的表层形貌像，最高分辨率目前是0.4 nm TEM：利用透射电子成像，样品的结构，形貌，同时可以观察倒易空间衍射花样，对于物质结构的解释有直观的优势。
并通过倾转得到的系列衍射花样，推知未知晶体结构。
最高分辨率0.5 A。
STM：利用隧穿电流的变化，得到样品表面原子级分辨像。
光学显微镜、TEM、SEM成像原理比较HRTEM和STM有本质区别的STM是表面局域电子态，和内部结构并无大关系TEM是晶格整体对电子的衍射，实际样品都有一定厚，高阶衍射和多次衍射束都有影响，样品厚度过大的话（几十个nm）就很难得到高分辨像了。
另外，样品的晶轴转向也很有讲究，否则得到的高分辨像实际是一定角度的投影，晶格常数就不匹配了。
我们这里在F30上一般不做diffraction pattern，因为有损坏CCD的危险。
拍出高分辨来做FFT就可以了。
比如，TEM观察主要是针对生物材料的内部超微结构；SEM和AFM观察是针对生物材料的表面形貌。
但是，SEM的景深比AFM的大，所以图像的立体效果好，但是对于纳米级的结构分辨不好（这个有时也要看仪器性能），而AFM的景深小，图像的立体感和反差不如SEM，但是对于纳米级的结构解析度好。
此外，AFM的制样简单，但观察比较费时间。
你做的是纳米材料，具体用哪个技术还需要你自己根据研究的内容来决定。
我仅是从生物材料的角度来分析这几种技术，回答的并不全面，还望有更多的朋友来帮你。
权此在这里抛砖引玉吧。
SEM扫描电镜可以观察物体的表面形貌,也可用于做成分的定性和半定量分析TEM透射电镜样品需要做成薄片,可用于观察内部显微结构,也可用于选区电子衍射等,也可用于成分分析,而且TEM的倍数要比SEM大得多，TEM很多用于观察纳米级别的试样STM 扫描隧道显微镜原子级，高分辨similar with AFM原子力显微镜（AFM ）的原理是利用针尖与样品表面原子间的微弱作用力来作为反馈信号，维持针尖——样品间作用力恒定，同时针尖在样品表面扫描，从而得知样品表面的高低起伏。
原子力显微镜与扫描力显微术
原⼦⼒显微镜与扫描⼒显微术 1.斥⼒模式原⼦⼒显微镜（AFM） 微悬臂是原⼦⼒显微镜（AFM）关键组成部分之⼀，通常由⼀个⼀般100～500µm长和⼤约500nm～5µm厚的硅⽚或氮化硅⽚制成。
微悬臂顶端有⼀个尖锐针尖，⽤来检测样品－针尖间的相互作⽤⼒。
对于⼀般的形貌成像，探针尖连续（接触模式）或间断（轻敲模式）与样品接触，并在样品表⾯上作光栅模式扫描。
通过计算机控制针尖与样品位置的相对移动。
当有电压作⽤在压电扫描器电极时，它会产⽣微量移动。
根据压电扫描器的精确移动，就可以进⾏形貌成像和⼒测量。
原⼦⼒显微镜（AFM）设计可以有所不同，扫描器即可以使微悬臂下的样品扫描，也可以使样品上的微悬臂扫描。
原⼦⼒显微镜（AFM）压电扫描器通常能在（x,y,z）三个⽅向上移动，由于扫描设计尺⼨和所选⽤压电陶瓷的不同，扫描器最⼤扫描范围x、y轴⽅向可以在500nm～125µm之间变化，垂直z轴⼀般为⼏微⽶。
好的扫描器能够在⼩于1尺度上产⽣稳定移动。
通过在样品表⾯上扫描原⼦⼒显微镜（AFM）微悬臂（或使微悬臂下的样品移动）并且记录微悬臂的形变，可以测量样品表⾯的起伏⾼度。
将样品的局域起伏⾼度对应探针尖的⽔平位置绘图，即可得到样品表⾯的三维形貌图像。
利⽤轻敲模式技术，测量振荡微悬臂的振幅或相位变化，也可以对样品表⾯进⾏成像。
2.摩擦⼒显微镜 摩擦⼒显微镜（LFM）是在原⼦⼒显微镜（AFM）表⾯形貌成像基础上发展的新技术之⼀。
材料表⾯中的不同组分很难在形貌图像中区分开来，⽽且污染物也有可能覆盖样品的真实表⾯。
LFM恰好可以研究那些形貌上相对较难区分、⽽⼜具有相对不同摩擦特性的多组分材料表⾯。
图1 摩擦⼒显微镜扫描及⼒检测⽰意图 图1⽰出了LFM扫描及检测的⽰意图。
⼀般接触模式原⼦⼒显微镜（AFM）中，探针在样品表⾯以X、Y光栅模式扫描（或样品在探针下扫描）。
聚焦在微悬臂上的激光反射到光电检测器，由表⾯形貌引起的微悬臂形变量⼤⼩是通过计算激光束在检测器四个象限中的强度差值（A+B）-（C+D）得到的。
第三章 电镜的基本原理(3)AFM 和 STM
1μm 1～2原 子层
BEEM 弹道电子发 射显微镜
各种电镜的比较
分辨 工作环境 对试样影响 检测深度 评价
TEM SEM STM AFM
d⊥ 无 d∥ 0.2nm
高真空
中等
小于 0.2μm
历史 最久 应用 最广 可观察 原子整 体形貌
d⊥ 低 高真空 小 d∥ 6～10nm d⊥ 0.01nm 大气, 无损 d∥ 0.1nm 液体, 真空 STM的改进与发展
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。
原子力显微镜原理
AFM的原理较为简单，它是用微小探针 “摸索”样品表面来获得信息．如图1所示， 当针尖接近样品时，针尖受到力的作用使悬臂 发生偏转或振幅改变．悬臂的这种变化经检测 系统检测后转变成电信号传递给反馈系统和成 像系统，记录扫描过程中一系列探针变化就可 以获得样品表面信息图像．下面分别介绍检测 系统、扫描系统和反馈控制系统。
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恒高度工作模式
沿扫描过程中，探针保持在同一高度，随样品 表面起伏的变化（针尖与样品表面间距变化）， 隧道电流不断的变化。
扫描隧道谱（STS）
定义：在表面给定和固体的探针样品的 间距下，使样品的偏压（V）从负几V~ 正几V连续扫描,同时测量隧道电流，从 而获得隧道电流随偏压的变化（I-V或 DI/DV-V曲线）,称为扫描隧道谱 （STS）。
扫描电子显微镜(SEM)与原子力显微镜(AFM)
AFM图像
AFM技术可得到样品表面形貌结构的三维图像，并能测 量样品的三维信息，如左图，可准确地测出两个位置的高度 差。 由于AFM图像的纵向分辨率小于0. 01 nm,它能区分原子 级表面变化，可计算出样品表面的粗糙度，如右图，但是， 在原子级表面，SEM技术非常难检测样品表面细微的高度变 化。
SEM技术的图像，扫描范围较大，可达数mm× mm，具 有较大的景深，可达数微米。 AFM技术的最大扫描范围100μm× 100μm，景深仅为数 微米。
在较大扫描范围(μm或mm级)，SEM的图像质量优于AFM；而在进 行小范围扫描时，尤其是nm级的扫描范围，AFM的图像明显优于SEM。
SEM图像
AFM利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样 品原子之间的作用力，从而达到检测的目的，具有原子级 的分辨率。横向分辨率和纵向分辨率可达到0. 1 nm和0. 01 nm，即可以分辨出单个原子。 AFM的样品制备非常简单，一般直接将样品放在AFM 的载体上。 AFM可以测量样品表面的硬度、粗糙度，磁场力，电 场力，温度分布和材料表面组成等样品的物理特性。 AFM能在近生理条件下(空气中或液体中)或生理条件下 直接成像，以分子或亚分子分辨率得到生物分子及样品表 面的三维图象。解决了用SEM观察细胞时样品的变形和损 伤问题。
扫描电子显微镜（SEM）与原子力显微镜()
SEM通过探测样品表面激发出的二次电子、背散射 电子等信号得到样品表面的图像。 SEM要求样品导电，对于非导电或导电性较差的样 品，则要先对样品进行镀膜处理，在样品表面形成一层 导电膜，以避免电荷积累，影响图象质量。 对于含有水分的样品，如生物样品，要经过固定， 脱水，干燥，喷金(银)等环节，保证样品导电性能良好。 对磁性试样要预先去磁，以免观察时电子束受到磁 场的影响。 同时，SEM要求在真空条件下观察成像，部分样品 无法在其自然状态下观察，如生物样品在制样或扫描过 程中将受到损伤或杀死。
原子力显微镜与扫描电镜技术
n NA
1 2
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四、纳米测试技术的意义及发展方向 方向：小型化，多功能，测量范围比大，纳米建立测量标准。 测量技术 98年 ：±5nm准确度 原子晶格不是标准，国内外计量部门应建立公开的标准。
第一章 扫描隧道显微术
§1-1扫描电子显微镜（SEM） 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope）SEM 是研究材料、生物、微结构的重要设备。 所光 浙 SEM的测量设备 学大 工光 分辨率高 程电
nD
分划板
NA
D L
当 5500 A
D L
= 0.3m 所以，传统光学显微镜分辨率极限是 2
为提高分辨率，减小波长 从可见光——紫外光—— x射线 1nm 10 nm 而更短的波长、电子射线 0 .001 nm
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1665年，英国科学家罗伯特· 胡克 用他 的显微镜观察软木切片的时候，惊奇的发 现其中存在着一个一个“单元”结构。胡 克把它们称作“细胞”。
1632-1723 荷兰人安东尼· 列文虎克（Anthony Von 冯· Leeuwenhoek )制造的显微镜让人们大开眼界。他制造的显 微镜其实就是一片凸透镜，而不是复合式显微镜。不过，由 于他的技艺精湛，磨制的单片显微镜的放大倍数将近300倍， 超过了以往任何一种显微镜。
电子显微镜与扫描电子显微镜
电子显微镜与扫描电子显微镜电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是利用电子束来对样品进行成像的一种显微镜。
它可以突破光学显微镜的分辨率限制，使得观察到的细微结构更加清晰和精细。
而扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）则是一种利用电子束来扫描样品表面并获取高分辨率图像的显微镜。
电子显微镜是通过将电子束通过透镜系统聚焦到极小的焦点，然后穿过样品并被投影到接收器上，从而观察样品内部的结构。
因为电子的波长比可见光短得多，所以电子显微镜的分辨率比光学显微镜高出数千倍，能够观察到更小尺度的细节。
在电子显微镜中，样品需要被切成极薄的薄片以使电子能够穿透，这也是电子显微镜的一个局限性，不能观察到完整的三维结构。
相比之下，扫描电子显微镜则是通过将电子束在样品表面上进行扫描来获取图像。
SEM能够提供高分辨率的表面拓扑图像，可以观察到样品表面的形貌、结构和成分。
SEM的分辨率通常在纳米级别，适用于对表面形貌和微观结构的观察。
与TEM不同的是，SEM不需要对样品进行薄片处理，对样品的准备要求相对简单，因此更为广泛应用。
除了可以观察样品的表面结构，扫描电子显微镜还可以通过不同的探测器来获取样品的化学成分信息。
例如，通过能谱仪（EDS）可以对样品进行化学成分分析，从而了解样品中各种元素的含量及分布。
而透射电子显微镜通常通过选区电子衍射技术（SAED）来对晶体结构进行分析。
总的来说，电子显微镜与扫描电子显微镜都是现代科学研究中不可或缺的工具，它们的高分辨率、高清晰度和高增强率为科学家们提供了研究微观世界的有效手段。
无论是在材料科学、生命科学、纳米技术还是其他领域，电子显微镜和扫描电子显微镜都扮演着重要的角色，推动着科学研究的进步和发展。
纳米作业参考答案
作业
1.简述纳米材料的概念与分类。
2.纳米材料具有那些奇异特性？
3.人们发现鸽子、海豚、蝴蝶及蜜蜂等具 有回归的本领，它们是如何辨别方向的？
1.简述纳米材料的概念与分类。
①纳米材料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度水平， 并且具有特殊性能的材料。 20世纪80年代，纳米材料的定义为1~100nm尺度范 围内的纳米颗粒（纳米晶）和由纳米颗粒组成的薄 膜和块体。现在纳米材料的广义定义是指在三维空 间中至少有一维处于纳米尺度范围内，或由纳米基 本单元构成的材料。其性质完全不同于常规材料， 而具有特殊性。
②所谓纳米技术标准就是关于纳米结构产品生产、性能测试技术、运输和使用的技术规 范性文件。市场上很多的“纳米商品”还不是真正意义上的“纳米产品”， 一些商家为 了商业利益乱贴“纳米”标签，玩弄“纳米技术戏法”，“纳米水”、“纳米冰箱”等。 纳米产品识别问题已成为突出的问题。目前，广大消费者对纳米技术及其产品的知识了 解不多，因此造成了纳米产品的无序发展，快速发展的纳米产品市场急需纳米标准来规 范。 ③纳米技术的正面效应和负面效应是相互依赖、相互制约的两个方面，在研究中处于同 等重要的地位，纳米安全性和纳米标准化研究是纳米科学内涵不可或缺的重要方面。
扫描隧道显微镜STM和原子力显微镜AFM分析技术
1
I Vb exp( A 2 S )
三、 扫描隧道显微镜的基本原理
尖锐金属探针在样品表面扫描，利用针尖-样 品间纳米间隙的量子隧道效应引起隧道电流与间 隙大小呈指数关系，获得原子级样品表面形貌特 征图象。
图 STM的基本原理图
4）分辨率高，扫描隧道显微镜在水平和垂直分 辨率可以分别达到0.1nm和0.01nm。因此可直接观 察到材料表面的单个原子和原子在材料表面上的三 维结构图像。
5）在观测材料表面结构的同时，可得到材料表 面的扫描隧道谱（STS），从而可以研究材料表面 化学结构和电子状态。
6）不能探测深层信息，无法直接观察绝缘体。
粒子可以穿过比它能量更高的势垒，这个 现象称为隧道效应。
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
0-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，
2. 机械设计（扫描控制）
机械设计应满足：
1）Z方向伸缩范围≥1μm，精度约为 0.001nm；
2）X、Y方向扫描范围≥1μm ×1μm，精度约 为0.01nm；
3）Z方向机械调节精度高于0.1μm ，精度至少 应在压电陶瓷驱动器Z方向变化范围，机械调节范 围>1mm；
4）能在较大范围内选择感兴趣的区域扫描； 5）针尖与样品间距离d具有高的稳定性。
隧道电流的变化曲线
∆Z有0.1nm的变化； ∆ IT即有数量级的变化
隧道电流的变化曲线
四、 扫描隧道显微镜的工作模式
根据针尖与样品间相对运动方式的不同，STM有 两种工作模式：恒电流模式（a）和恒高模式（b）。
原子力显微镜实时成像技术突破及未来前景展望
原子力显微镜实时成像技术突破及未来前景展望随着科学技术的不断发展，原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，简称AFM）作为一种重要的纳米测量仪器，在纳米科技领域发挥着重要的作用。
原子力显微镜实时成像技术的突破为纳米尺度物质的研究和应用提供了新的可能性。
本文将介绍原子力显微镜实时成像技术的最新突破，并对其未来的前景进行展望。
原子力显微镜是一种基于扫描探针显微镜原理的高分辨率纳米表面形貌测量仪器。
它通过探针接触样品的表面，利用弹性特性感知样品表面的微小变形，从而获得纳米尺度下的表面形貌信息。
与传统的光学显微镜和电子显微镜相比，原子力显微镜具有更高的分辨率和更广泛的应用领域。
近年来，原子力显微镜实时成像技术取得了重要突破。
传统的原子力显微镜技术需要将探针移动到感兴趣区域进行成像，时间较长且有限制。
而实时成像技术通过改进探针和控制系统，实现了对样品表面的实时动态成像。
这种技术突破使得研究者可以观察到物质在纳米尺度上的动态变化，如蛋白质的折叠过程、单分子反应的过程等。
这为纳米材料的研究提供了更多的可能性，并且对于生物医药、材料科学和纳米电子等领域具有重要意义。
原子力显微镜实时成像技术的突破得益于探针和控制系统的创新。
首先，探针的改进通过使用新材料和纳米制造技术，使得探针的尺寸更小、刚度更好，并且具有更高的灵敏度。
这使得原子力显微镜可以更好地感知样品表面的微小变形和力场变化。
其次，控制系统的提升使得原子力显微镜的成像速度更快、追踪性能更好。
通过对探针位置和力的精确控制，实时成像技术可以获得更高的分辨率和更精确的表面形貌信息。
未来，原子力显微镜实时成像技术有着广阔的前景。
首先，该技术可以应用于纳米材料的制备和表征。
通过观察纳米材料的生长和变化过程，研究者可以更好地理解纳米材料的性质和应用。
其次，实时成像技术可以用于研究生物体系的结构和功能。
对于生物大分子的研究，如蛋白质和核酸，实时成像技术可以提供各种动态信息，揭示其结构和功能之间的关系。
扫描探针显微技术之二—原子力显微镜(AFM)技术
生物多样性研 究：通过FM技 术研究生物多 样性如微生物、 植物、动物等
其他领域的应用
生物医学 领域：研 究细胞、 组织、器 官的结构 和功能
材料科学 领域：研 究材料的 微观结构 和性能
纳米技术 领域：研 究纳米材 料的合成、 结构和性 能
环境科学 领域：研 究污染物 的形态和 分布
考古学领 域：研究 文物的微 观结构和 历史背景
原子力显微镜(FM) 技术
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02
原子力显微镜 (FM)技术概述
03
原子力显微镜 (FM)技术特点
04
原子力显微镜 (FM)技术应用 实例
05
原子力显微镜 (FM)技术发展 趋势和挑战
01 添加章节标题
02
原子力显微镜(FM)技 术概述
原子力显微镜(FM)定义
03
原子力显微镜(FM)技 术特点
高分辨率和高灵敏度
高分辨率：可以观察到纳 米级别的结构细节
高灵敏度：可以检测到非 常微小的力变化
非破坏性：不会对样品造 成破坏
多功能性：可以应用于多 种样品和环境
实时性：可以实时观察样 品的变化过程
操作简便：操作简单易于 上手
可在液相和气相中进行检测
液相检测：可在液体环境中进行检测适用于生物样品、化学样品等
提高自动化 程度：通过 改进软件和 硬件提高原 子力显微镜 的自动化程 度
拓展应用领 域：通过改 进原子力显 微镜的性能 和应用技术 拓展其在生 物、材料、 环境等领域 的应用
技术挑战和解决方案
技术挑战：分辨率和 灵敏度限制
解决方案：开发新型 探针和扫描技术
技术挑战：样品制备 和表面处理
解决方案：优化样品 制备和表面处理方法
扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)
STM针尖的制备
生物w秀ww-.专bb心io做o.生co物m
铂铱丝
扫描方式
恒高模式
生物w秀ww-.专bb心io做o.生co物m
恒流模式
用STM得到的形貌图
生物w秀ww-.专bb心io做o点.生缺c陷o物m
高序石墨
碘原子
通过STM实现原子操控
生物w秀ww-.专bb心io做o.生co物m
Fe-circle on the surface of Cu
亨利克.罗雷尔 Heinrich Rohrer
杰德.宾尼 Gerd Binning
1982年于IBM实验室发明了首台STM
1986年获得了诺贝尔物理学奖
STM发明历史与基本工作原理
针尖
平行金属板间的隧道效应生物w秀w样w-品.专bb心iSTo做oM.生：co物m
隧道电流对距离非常敏感
是利用隧道电流对距离的敏感 来设计的，通过采集针尖和样 品表面原子间的隧道电流来表 征材料的表面形貌的
Atomic Force Microscope （AFM）
Magnetic Force Microscopy（MFM）
……
生物w秀ww-.专bb心io做o.生co物m
透射电子显微镜 （TEM）照片
扫描电子显微镜 （SEM）照片
扫描探针显微镜
生物w秀ww-.专bb心io做o.生co物m
扫描探针显微镜
原子生力物显w秀ww-微.专bb心镜io做o.(生cAo物mFM)
AFM的工作原理
生物w秀ww-.专bb心io做o.生co物m
原子力显微镜: 利用原子之间的范德华力来呈现样品的表面特性。
AFM的工作原理
生物w秀ww-.专bb心io做o.生co物m
物理学中的电子显微学和原子力显微学
物理学中的电子显微学和原子力显微学1. 引言在物理学的研究中，显微学技术起着至关重要的作用。
特别是在物质的微观结构研究中，电子显微学和原子力显微学成为了两种不可或缺的技术。
本文将详细介绍这两种显微学的原理、特点及其在物理学研究中的应用。
2. 电子显微学电子显微学是一种利用电子束作为光源来观察样本的显微学技术。
与光学显微镜相比，电子显微镜具有更高的分辨率，能够观察到更细微的物质结构。
2.1 原理电子显微镜的原理基于电子束与样本相互作用产生的信号。
主要有两种类型：透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）。
透射电子显微镜（TEM）透射电子显微镜通过电子束穿过样本，观察透射过的电子图像来分析样本的结构。
其分辨率极高，可以达到原子级别。
扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜则通过聚焦电子束扫描样本表面，收集样本表面产生的信号，如二次电子、背散射电子等，从而获得样本的表面形貌和成分信息。
2.2 特点电子显微镜具有极高的分辨率和 magnification，能够观察到非常细微的物质结构。
此外，电子显微镜还可以通过不同的信号来获取样本的成分、晶体结构等信息。
2.3 应用在物理学研究中，电子显微学被广泛应用于：•材料科学：研究材料的微观结构、晶体缺陷等。
•凝聚态物理：观察和研究电子显微镜下的物理现象，如超导材料、拓扑绝缘体等。
•生物学：研究生物大分子的结构，如蛋白质、DNA等。
3. 原子力显微学原子力显微学（AFM）是一种利用原子力传感器来观察样本表面形貌和物理性质的显微学技术。
3.1 原理原子力显微镜的原理是基于原子力传感器（通常为一个微型悬臂）与样本表面的相互作用。
当悬臂在样本表面扫描时，通过检测悬臂与样本之间的相互作用力（如范德华力、静电力等），可以得到样本的表面形貌和物理性质。
3.2 特点原子力显微镜具有高分辨率、高 magnification 和三维成像等特点。
此外，AFM 还可以通过改变悬臂与样本表面的相互作用力，实现对样本的操控和操作。
扫描电子显微镜与原子力显微镜技术之比较_陈耀文
中国体视学与图像分析 2006年 第11卷 第1期CH I NESE J OURNAL OF STEREO LOGY AND I M AGE ANALYS I S Vo.l 11No .1Ma rch 200653 收稿日期:2005-08-01基金项目:国家自然科学基金资助(N o .30470900);汕头大学研究与发展基金资助(N o .L00015)作者简介:陈耀文(1964-),男,副教授,研究方向:医学图像处理与识别,E -m ail :yw chen @stu .edu .cn文章编号:1007-1482(2006)01-0053-06综述扫描电子显微镜与原子力显微镜技术之比较陈耀文1, 林月娟1, 张海丹1, 沈智威1, 沈忠英2(1.汕头大学中心实验室, 广东 汕头 515063; 2.汕头大学医学院, 广东 汕头 515031)摘 要:SE M 和AF M 技术是最常用的表面分析方法。
本文介绍了SE M 和AF M 两种技术的原理,描述了这两种技术在样品形貌结构、成分分析和实验环境等方面的性能,比较了两种技术的特性和不足,充分利用两种技术的互补性,将两种技术结合使用,有助于更加深刻地认识样品的特性。
关键词:原子力显微镜;扫描电子显微镜;表面形貌;化学成分中图分类号:TG115.21+5.3,R319 文献标识码:AThe co mpar ison of S E M and AF M techn i q uesCHEN Y ao w en 1, LI N Yue juan 1, Z HANG Haidan 1, S HEN Zhe w ei 1, S HEN Zhongying2(1.Cen tra l Labo rator y ,Shantou Universit y ,Guangdong Shantou 515063,Ch i n a ;2.M ed ica lC ollege ,Shan t o u Un iversit y ,Guangdong Shan t o u 515031,C hina )Abst ract :Scanning electr on m icroscopy (SE M )and ato m ic force m icroscopy (AF M )ar e po w erf u l t o o ls for surface investi g a tions .Th is a rticle desc ribed t h e pri n ciples o f t h ese t w o techniques ,co mpared and contr asted these t w o t e chn i q uesw it h respect to the surface str ucture and co m po sition o fm aterials ,and en -vir onm en.t SE M and AF M are co m ple m enta r y t e chn iques ,by hav ing bo th techniques in an analy tical fa -cilit y ,surface i n vestigations w ill be provided a m o r e co m ple t e r epr esenta ti o n .K ey w ords :ato m ic force m ic r oscopy ;scann i n g e l e ctron m icr oscopy ;surface str uctur e ;co mposition 显微镜由于受到衍射极限的限制,其分辨率只能达到光波半波长数量级(0.3μm ),无法观察更小的物体。
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中国体视学与图像分析 2006年 第11卷 第1期CH I N ESE JOURNAL O F S TER EOLO GY AND I M AGE ANALYS I S Vo l .11No.1M a rch 200653 收稿日期:2005-08-01基金项目:国家自然科学基金资助(No .30470900);汕头大学研究与发展基金资助(No .L00015)作者简介:陈耀文(1964-),男,副教授,研究方向:医学图像处理与识别,E 2mail:y wchen@stu .edu .cn文章编号:1007-1482(2006)01-0053-06・综述・扫描电子显微镜与原子力显微镜技术之比较陈耀文1, 林月娟1, 张海丹1, 沈智威1, 沈忠英2(1.汕头大学中心实验室, 广东 汕头 515063; 2.汕头大学医学院, 广东 汕头 515031)摘 要:SE M 和AF M 技术是最常用的表面分析方法。
本文介绍了SE M 和AF M 两种技术的原理,描述了这两种技术在样品形貌结构、成分分析和实验环境等方面的性能,比较了两种技术的特性和不足,充分利用两种技术的互补性,将两种技术结合使用,有助于更加深刻地认识样品的特性。
关键词:原子力显微镜;扫描电子显微镜;表面形貌;化学成分中图分类号:TG115.21+5.3,R319 文献标识码:AThe co m par ison of SE M and AF M techn i quesCHEN Yaowen 1, L I N Yuejuan 1, ZHANG Haidan 1, SHEN Zhewei 1, SHEN Zhongying2(1.Central Laborat ory,Shant ou University,Guangdong Shant ou 515063,China;2.Medical College,Shant ou University,Guangdong Shant ou 515031,China )Abstract:Scanning electr on m icr oscopy (SE M )and at om ic f orce m icr oscopy (AF M )are powerful t ools f or surface investigati ons .This article described the p rinci p les of these t w o techniques,compared and contrasted these t w o techniques with res pect t o the surface structure and compositi on of materials,and en 2vir on ment .SE M and AF M are comp le mentary techniques,by having both techniques in an analytical fa 2cility,surface investigati ons will be p r ovided a more comp lete rep resentati on .Key words:at om ic f orce m icr oscopy;scanning electr on m icr oscopy;surface structure;compositi on 显微镜由于受到衍射极限的限制,其分辨率只能达到光波半波长数量级(0.3μm ),无法观察更小的物体。
1924年,德布罗意提出了微观粒子具有波粒二象性的概念,科学家们在物质领域找到了一种波长更短的媒质—电子,并利用电子在磁场中的运动与光线在介质中的传播相似的原理,研制出以电子为光源的各类电子显微镜。
扫描电子显微镜(Scanning Electr on M icr oscopy,SE M )的设计思想,早在1935年便已被提出来了,1942年,英国首先制成实验室用的扫描电镜,主要应用于大样品的形貌分析,但由于成像的分辨率很差,照相时间太长,所以实用价值不大。
随着电子工业技术水平的不断发展,到1965年开始生产商品扫描电镜,近数十年来,SE M 各项性能不断提高,如分辨率由初期的50nm 发展到现在约0.5nm ,功能除样品的形貌分析之外,现在可获得特征X 2射线,背散射电子和样品电流等信息。
1982年,Gerd B innig 和Heinrich Rohrer 在I B M 公司苏黎世实验室共同研制成功了第一台扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling M icr oscope,ST M ),使人们首次能够真正实时地观察到单个原子在物体表面的排列方式和与表面电子行为有关的物理、化学性质。
然而,由于ST M 的信号是由针尖与样品之间的隧道电流的变化决定的,只适用于研究电子性导体和半导体样品,为了克服ST M 的不足之处,ST M 的发明者B innig 等又在1986年发明了原子力显微镜(A t om ic Force M icr oscope,AF M )。
AF M 是通过探测探针与被测样品之间微弱的相互作用力(原子力)来获得物质表面形貌的信息,分辨率可达原子级水平。
之后,以ST M 和AF M 为基础,衍生出扫描探针显微镜(Scanning Pr obe M icr oscope,SP M )家族,包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜、磁力显微镜、静电54 中国体视学与图像分析2006年 第11卷 第1期力显微镜等,其中,AF M 的应用从最初的物理学、材料科学与工程领域很快拓宽到了生命科学等领域,已成为研究样品表面结构与性质的最常用的SP M 。
1 成像原理1.1 扫描电子显微镜成像SE M 的原理是利用电子枪采用真空加热钨灯丝,发生热电子束,在0.5～30K V 的加速电压下,经过电磁透镜所组成的电子光学系统,电子束会聚极细电子束,并在样品表面聚焦。
末级透镜上边装有扫描线圈,在它的作用下,电子束在样品表面扫描。
高能电子束与样品物质相互作用产生二次电子,背反射电子,X 射线等信号。
这些信号分别被不同的接收器接收,经放大后用来调制荧光屏的亮度,如图1所示。
图1 扫描电子显微镜成像电子束打到样品上一点时,在荧光屏上就有一亮点与之对应,其亮度与激发后的电子能量成正比,SE M 是采用逐点成像的图像分解法进行的,光点成像的顺序是从左上方开始到右下方,直到最后一行右下方的像元扫描完毕就算完成一幅图像。
来自样品表层(数纳米)的信号的二次电子(能量)较小,只有数十e V 以下,它是SE M 检测出的主要信号,图像被称为二次电子图像,它准确地反映样品表面的形貌(凹凸)特征,具有立体感的图像。
同时,当入射电子流轰击到样品表面时,如果能量足够高,样品内部分原子的内层电子会被轰出,使原子处于能级较高的激发态。
原子的激发态是过渡到稳态时,多余的能量便以光量子的形式辐射出来能量较高的X 射线,其波长只与原子处于不同能级时发生电子跃迁的能级差有关。
这些有特征波长的辐射将能够反映出原子的结构特点,特征光谱的波长只取决于样品组成元素的种类,是样品元素的特征谱线,反映了样品的成分和工作条件无关。
1.2 原子力显微镜成像AF M 采用一显微制作的探针扫描待测样品表面,探针被固定在一根有弹性的悬臂的末端,悬臂通常由金和硅的材料制成。
如图2所示,探针在样品表面扫描时,测量探针与样品之间的相互作用力,随着针尖与样品表面之间距离的不同,相应产生微小的作用力,就会引起悬臂的偏转。
反馈电路通过控制扫描头在垂直方向上的移动,使扫描过程中每一点(x,y )上探针和样品之间的作用力保持恒定;当激光束照射在悬臂的末端,经反射进入光电检测器。
针尖与样品表面的距离不同使得激光束的方向发生了改变,这就使光电检测器接收到的信号变化,送入计算机的电脉冲也产生相应的变化,检测器将反射的激光束转化成电脉冲,电脉冲信号经过计算机处理,然后计算机将这些信息转换成或明或暗的区域,这样扫描头在每一点(x,y )上的垂直位置被记录,作为样品表面形貌成像的原始数据,从而产生了有明暗对比度的样品的表面形貌图像,可得到样品表面的三维形貌图像。
图2 原子力显微镜成像AF M 有二种工作模式:接触模式((contact mode )、非接触模式(non contact mode )和轻敲模式(tapp ing mode )。
接触模式通过反馈线圈调节微悬臂的偏转程度不变,从而保证样品与针尖之间的作用力恒定,当沿X 、Y 方向扫描时,记录Z 方向上扫描器的移动情况来得到样品的表面形貌图像。
接触模式的特点是探针与样品表面紧密接触并在表面上滑动,针尖与样品之间的相互作用力是两者相接触原子间的排斥力。
接触模式通常就是靠这种排斥力来获得稳定、高分辨的样品表面形貌图像,但由于针尖在样品表面上滑动及样品表面与针尖的粘附力,易使样品产生变形,故不适于检测易变形的弹性样品。
轻敲模式通过调制压电陶瓷驱动器使带针尖的微悬臂以某一高频的共振频率和大于20nm 的振幅2006年 第11卷 第1期陈耀文等:扫描电子显微镜与原子力显微镜技术之比较55 在Z 方向上共振,而微悬臂的共振频率可通过氟化橡胶减振器来改变。
同时,反馈系统通过调整样品与针尖间距来控制微悬臂的振幅与相位,记录样品的上下移动情况即在Z 方向上扫描器的移动情况来获得图像。
由于微悬臂的高频振动,使得针尖与样品之间频繁接触的时间相当短,针尖与样品可以接触,也可以不接触,且有足够的振幅来克服样品与针尖之间的粘附力。
因此,适用于柔软、易脆和粘附性较强的样品,且不对它们产生破坏,这种模式在生物样品的结构研究中应用非常广泛。
2 功能及应用目前,SE M 和AF M 是纳米级形貌研究的最常用技术,下面以日本电子的JSM 6360LA (带能谱)扫描电子显微镜和美国Veeco 公司的D I Ⅲa 为例,就两种技术的主要参数,对样品的形貌结构分析、成分分析和环境要求等方面比较。
表1为日本电子JS M 6360LA (带能谱)扫描电子显微镜的主要技术参数,表2为美国Veeco 公司的Multi M ode Nanoscope Ⅲa SP M 原子力显微镜的主要技术参数。
表1 JS M 6360LA(带能谱)的主要技术参数JS M 26360LA 带低真空功能E DS (JE D2300)装配JE D检测的信号、图像种类在工作距离为10mm 的位置,所有的信号[如∶SE I (二次电子图像)、BE I (背散射电子图像)、X 射线(E DS/WDS )]能被检测出来。