Multimode扫描探针显微镜仪器及原理
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。
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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
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扫描探针显微镜原理及其应用1
SPI
VE-AFM/DFM(微粘弹性模式) (微粘弹性模式)
【测量原理】 测量原理】 模式下, 在AFM模式下,使扫描 模式下 器边产生Z方向微小振动 器边产生 方向微小振动 ,边加一定周期的力在样 品上, 品上,将这时的悬臂的弯 曲振幅影象化, 曲振幅影象化,以测量粘 弹性的表面分布。 弹性的表面分布。 【特征】 特征】 可同时测量物质表面的形 貌像及粘弹性分布。 貌像及粘弹性分布。
800μm 800μm 10 mm
X,Y resolution/m
SPI
扫描探针显微镜的优势
Atomic Image HOPG) (HOPG)
High Resolution in 3D image
STM(~2nm□ STM(~2nm□) (~2nm
MagnetMagnet-Optical Disk
SPI
Comparison of AFM and DFM AFM
AFM
Contact
Mode
DFM
Cycric-Contact Non-Contact
Interaction
Large (~10 Large (~ 10 - 9 N)
●Symple ●3D Atomic image ●Pysical property at contact state ●Influence adhesive and charged sample
Z
VACsinωt (for AC electric field)
SPI
扫描探针显微镜原理
电特性测量
♦STM(扫描隧道测量模式) ♦AFM with Current measurement Mode (AFM同时电流测量模式) ♦AFM-CITS (AFM电流隧道谱)
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(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。
纳米技术基础课件 第3课 扫描探针显微镜原理及应用
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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。
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AFM扫描方式
轻敲模式:AFM轻敲扫描
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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
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AFM扫描方式
非接触模式
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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。
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AFM的探针
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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
扫描显微镜的工作原理
扫描显微镜的工作原理
扫描电子显微镜是利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的一种常用的显微分析仪器。
其工作原理是:在高真空的镜筒中,由电子枪产生的电子束经电子会聚透镜聚焦成细束后,在样品表面逐点进行扫描轰击,产生一系列电子信息(二次电子、背反射电子、透射电子、吸收电子等),由探测器将各种电子信号接收后经电子放大器放大后输入由显像管栅极控制的显像管。
聚焦电子束对样品表面扫描时,由于样品不同部位表面的物理、化学性质、表面电位、所含元素成分及凹凸形貌不同,致使电子束激发出的电子信息各不相同,导致显像管的电子束强度也随着不断变化,最终在显像管荧光屏上可以获得一幅与样品表面结构相对应的图像。
MultiMode 8 中文操作手册
MultiMode 8 中文操作手册(第四版)目录第一部分扫描探针显微镜概述 (1)第二部分MultiMode 8 SPM系统基本操作 (16)第三部分MultiMode 8 SPM液下操作 (31)第四部分MultiMode 8 SPM力曲线基本操作 (42)第五部分MultiMode 8 SPM PFQNM基本操作 (58)第六部分MultiMode 8 SPM EFM/MFM基本操作 (74)第七部分MultiMode 8 SPM KPFM基本操作 (78)第八部分基本的离线处理操作 (89)第一部分扫描探针显微镜概述1982年,扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,STM)[1-3]的问世轰动了科学界,这是第一种能在原子尺度真实反映材料表面信息的仪器,它利用探针和导电表面之间随距离成指数变化的隧穿电流来进行成像,使人们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,被科学界公认为二十世纪八十年代世界十大科技成就之一。
STM的发明人,IBM公司苏黎世实验室的Binnig和Rohrer,于1986年被授予诺贝尔物理学奖。
但STM的工作原理决定了它只能对导电样品的表面进行研究,而不能对绝缘体表面进行检测。
为了弥补STM这一不足,1986年IBM公司的Binnig和斯坦福大学的Quate及Gerber 合作发明了原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)[4]。
AFM可以在真空、大气甚至液下操作,既可以检测导体、半导体表面,也可以检测绝缘体表面,因此迅速发展成研究纳米科学的重要工具。
在STM和AFM的基础上,又相继发展出了近场光学显微镜(Scanning Near Field Optical Microscope, SNOM)[5]、扫描电容显微镜(Scanning Capacitive Microscope,SCM)[6]、磁力显微镜(Magnetic Force Microscope,MFM)[7]、横向力显微镜(Lateral Force Microscope,LFM)[8]、静电力显微镜(Electrostatic Force Microscope,EFM)[9]、开尔文探针显微镜(Kelvin Probe Force Microscope,KFM)[10]等, 这类基于扫描探针成像的显微仪器统称为扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,SPM)。
扫描探针显微镜实验报告
扫描探针显微镜【目的要求】1.学习和了解扫描探针显微镜的结构和原理;2.掌握扫描探针显微镜的模式之一---扫描隧道显微镜的操作和调试过程,并以之来观察样品的表面形貌;3.学习用计算机软件来处理原始数据图像。
【仪器用具】扫描探针显微镜、针尖、计算机、光栅样品【原理】1.扫描探针显微镜简介扫描探针显微镜是继光学显微镜和电子显微镜发展起来后的第三代显微镜。
80年代初期,IBM公司苏黎世实验室的G.Binning 和H.Rohrer发明了扫描隧道显微镜,它的分辨率达到0.01纳米。
STM的诞生,使人类第一次在实空间观测到了原子,并能够在超高真空超低温的状态下操纵原子。
在STM的基础上,又发明了原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等等,这些显微镜都统称扫描探针显微镜。
因为它们都是靠一根原子线度的极细针尖在被研究物质的表面上方扫描,检测采集针尖和样品间的不同物理量,以此得到样品表面的形貌图像和一些有关的电化学特性。
如:扫描隧道显微镜检测的是隧道电流,原子力显微镜镜测试的是原子间相互作用力等等。
光学显微镜和电子显微镜都称之为远场显微镜,因为相对来说样品离成像系统有比较远的距离。
成像的图像好坏基本取决于仪器的质量。
而扫描探针显微镜的工作原理是基于微观或介观范围的各种物理特性,探针和样品之间只有2-3埃的距离,会产生相互的作用,是一种相互影响的耦合体系。
我们称它为近场显微镜。
它的成像质量不单单取决于显微镜本身,很大程度上受样品本身和针尖状态的影响。
所以,我们在使用这一类的仪器时,要想得到好的图像,关键是要学会分析判断各种图像及现象的产生原因,然后通过调整参数,得到相对好的图像。
2. 扫描探针显微镜的基本结构(1) 减振系统是仪器有效得到原子图像的必要保证。
有效的振动隔离是STM达到原子分辨率所严格要求的一个必要条件,STM原子图像的典型起伏是0.1埃,所以外来振动的干扰必须小于0.05埃。
有两类振动是必须隔离的:振动和冲击。
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。
Veeco DI 扫描探针显微镜(SPM)简介
• 先进材料—聚合物,金属,陶瓷,MEMS/NEMS,应用包括形貌测量,分子研究,磨 损/摩擦学研究等方面
• 光通讯—激光和其他设备,应用包括形貌和电属性测量(掺杂,膜厚等) • 生命科学/生物技术—细胞,组织,DNA,蛋白质,应用包括形貌测量和单个分子之间
Veeco China
北京办公室
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-2-
上海办公室
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电话:021-68866186
传真:010-68866225
4. 技术支持
Veeco 公司在中国建立了三个纳米科学示范实验室,有专职的应用工程师在实验室工作,负责用户的 技术支持工作,在美国总部,Veeco 公司更有 10 余位应用科学家,专职负责 Veeco SPM 全球客户的技术支 持;Veeco 公司还不定期地举办高级用户培训班,由公司的应用科学家为不同学科的用户进行 SPM 应用的 深层次培训。
2. Dimension 3100 型 (价格:USD150,000.00~300,000.00,视配置而定)
此型号适用于半导体和数据存储器件产品等大尺寸样品的测量; 工业级精度自动移动样品台; 可配合专利低噪声 XYZ 三向闭环回路控制扫描头使用; 噪音水平:小于 0.5 Å; 样品尺寸为:150mm ×150mm × 12mm (XYZ);
偏移进行独立控制,提供了空前强大的控制精度 6. 定量相位成像技术,采用锁相放大技术,可进行定量相位成像,相位成像线性度达到完整的±180°,
扫描探针显微镜
扫描探针显微镜(SPM )原理一、 描隧道显微镜STM 原理扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。
对于经典物理学来说,当一个粒子的动能E 低于前方势垒的高度0V 时,他不可能越过此势垒,即透射系数等于零,粒子将完全被弹回。
而按照量子力学的计算,在一般情况下,其透射系数不等于零,也就是说,粒子可以穿过比它能量更高的势垒(如图1),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:由式(1)可见,T 与势垒宽度a ,能量差)(0E V -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,T 将指数衰减,因此在一般的宏观实验中,很难观察到粒子隧穿势垒的现象。
扫描隧道显微镜的基本原理是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,当样品与针尖的距离非常接近 (通常小于1nm) 时,在外加电场的作用下,电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。
隧道电流I 是电子波函数重叠的量度,与针尖和样品之间距离S 以及平均功函数Φ有关:式中b V 是加在针尖和样品之间的偏置电压,平均功函数)(222000)(16E V m a e V E V E T ---≈ )2()exp(21S A V I b Φ-∝)1()(2121Φ+Φ=Φ,1Φ和2Φ分别为针尖和样品的功函数,A 为常数,在真空条件下约等于1。
隧道探针一般采用直径小于1nm 的细金属丝,如钨丝、铂-铱丝等,被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流。
由式(2)可知,隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系,当距离减小0.1nm ,隧道电流即增加约一个数量级。
因此,根据隧道电流的变化,我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息,如果同时对x ,y 方向进行扫描,就可以直接得到三维的样品表面形貌图,这就是扫描隧道显微镜的工作原理。
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(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
透射电 镜
高真空
室温
小
扫描电 镜 场离子 显微镜
6~10nm
高真空
室温
小
原子级
超高真空
30~80K
有
存在的问题
考察物质性质时,SPM空间分辨率较低
压电扫描器垂直伸缩范围小,对样品粗糙程度有要求
探针扫描速度受限,获取数据速率较慢
难以快速的控制原子,分子的结构
我国扫描探针显微镜开发和生产
1987年依托在中国科学院北京科仪中心的中国科学院北京电子显微镜实验 室和化学所研制完成了我国第一台扫描隧道显微镜。 此后,化学所,北京大学,上海原子核研究所等十余个单位也制成了各种 STM; 化学所又研制成我国第一台原子力显微镜; 中科院北京电镜室和大连理工大学开发了我国第一台光子扫描隧道显微镜。
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。
检测时,对样品表面的每一行都进行两次扫描; 第一次扫描采用轻敲模式,得到样品在这一行的高低起 伏并记录下来;第二次采用抬起模式,让磁性探针抬起 一定的高度(通常为10~200nm),并按样品表面起伏轨 迹进行扫描,记录下磁性探针因受到的长程磁力的作用 而引起的振幅和相位变化,得到样品表面漏磁场的精细 梯度,从而得到样品的磁畴结构。
扫描隧道显微镜 SБайду номын сангаасM
20世纪70年代,葛宾尼与其导师海罗雷尔在IBM的苏黎世实验室进行超 导实验,联系驱动探针在样品表面扫描的方法,萌生了利用导体的隧道 效应来探测样品表面及形貌的想法。
MultiMode8中文操作手册
MultiMode8中⽂操作⼿册MultiMode 8 中⽂操作⼿册(第四版)⽬录第⼀部分扫描探针显微镜概述 (1)第⼆部分MultiMode 8 SPM系统基本操作 (16)第三部分MultiMode 8 SPM液下操作 (31)第四部分MultiMode 8 SPM⼒曲线基本操作 (42)第五部分MultiMode 8 SPM PFQNM基本操作 (58)第六部分MultiMode 8 SPM EFM/MFM基本操作 (74)第七部分MultiMode 8 SPM KPFM基本操作 (78)第⼋部分基本的离线处理操作 (89)第⼀部分扫描探针显微镜概述1982年,扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,STM)[1-3]的问世轰动了科学界,这是第⼀种能在原⼦尺度真实反映材料表⾯信息的仪器,它利⽤探针和导电表⾯之间随距离成指数变化的隧穿电流来进⾏成像,使⼈们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,被科学界公认为⼆⼗世纪⼋⼗年代世界⼗⼤科技成就之⼀。
STM的发明⼈,IBM公司苏黎世实验室的Binnig和Rohrer,于1986年被授予诺贝尔物理学奖。
但STM的⼯作原理决定了它只能对导电样品的表⾯进⾏研究,⽽不能对绝缘体表⾯进⾏检测。
为了弥补STM这⼀不⾜,1986年IBM公司的Binnig和斯坦福⼤学的Quate及Gerber 合作发明了原⼦⼒显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)[4]。
AFM可以在真空、⼤⽓甚⾄液下操作,既可以检测导体、半导体表⾯,也可以检测绝缘体表⾯,因此迅速发展成研究纳⽶科学的重要⼯具。
在STM和AFM的基础上,⼜相继发展出了近场光学显微镜(Scanning Near Field Optical Microscope, SNOM)[5]、扫描电容显微镜(Scanning Capacitive Microscope,SCM)[6]、磁⼒显微镜(Magnetic Force Microscope,MFM)[7]、横向⼒显微镜(Lateral Force Microscope,LFM)[8]、静电⼒显微镜(Electrostatic Force Microscope,EFM)[9]、开尔⽂探针显微镜(Kelvin Probe Force Microscope,KFM)[10]等, 这类基于扫描探针成像的显微仪器统称为扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,SPM)。
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In scanning probe microscopy, “setpoint” refers to tipsample force. In the case of a probe tip, the operator assigns a setpoint value corresponding to a certain amount of tipsample force, then adjusts gains for the feedback to track the surface as closely as possible while maintaining the setpoint. The Z-axis piezo crystal uses voltage to raise and lower the probe. The Scan rate parameter must be also be considered. when Scan rate is set too high,the microscopist could have difficulty imaging. If the AFM setpoint is improperly set a poor image or damage to the probe or sample might occur.
2. Control Mechanisms and Feedback
“Feedback” refers to using the actual result of an action to determine what adjustment or new action is required to produce the desired result. The control of the SPM is accomplished by use of electronic feedback. The “result” is the probe spacing from the sample or contact force and the “action” is the adjustment required to make a correction to the desired value.
4. As the tip encounters a decline in the sample topology, the tip drops. This directs more of the beam onto the “B” portion of the photodiode array. With the “B” photodiode receiving an increased portion of the laser light, its voltage increases while portion “A’s” decreases (A < B). 5. Again, the Vertical Deflection (A-B) voltage differential is sensed by the feedback electronics, increasing voltage to the Z piezo crystal-the piezo extends. As the Z piezo extends, the tip is pushed down until the laser beam recenters on the photodiode array (A =B).
3. The Vertical Deflection (A-B) voltage differential is sensed by the feedback electronics,causing a dropped voltage to the Z piezo crystal—the piezo retracts. As the Z piezo retracts, the cantilever recenters the laser beam onto the photodiode array (A = B).
4. Control Parameters and Feedback Review of General Operating Concepts
The AFM system maintains the tip at the end of the cantilever in contact with the sample surface .The sample is scanned under the tip in X and Y. Features on the sample surface deflect the cantilever, which in turn change the position of the laser spot on the photodiodes. This position change is read by the feedback loop. The feedback loop moves the sample in Z to restore the spot to its original position.
SPM Fundamentals for the MultiMode
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Hardware Control Mechanisms and Feedback:
Feedback and Gains
Control Parameters and Feedback
Review of tapping mode AFM
1. Hardware
The MultiMode SPM consists of seven components: SPM, controller, computer, keyboard, mouse, display monitor and control monitor.
The central component of the system is the SPM.
1. A flat portion of the sample surface is scanned beneath the tip left-to-right, maintaining the laser beam at the center of the photodiode array. 2. As the tip encounters a raised feature, the cantilever is pushed up and the laser beam is deflected onto the “A” portion of the array. With the “A” photodiode receiving an increased portion of the laser light, its voltage increases while portion “B’s” decreases (A > B).
2.1 Overview of SPM control mechanisms The MMSPM uses an “optical lever” to determine probe to sample spacing.
During setup for imaging, the target location or oscillation characteristics of the beam on the photodetector are set by the user established “setpoint”. As tracing is performed, the variations in the sample lead to the beam move off the setpoint which is an “error signal”. The error signal is used in the feedback system to make changes which will reduce the error.
This picture shows the arrangement of the photodiode elements in the MultiMode head.
The top two elements (A) and the two bottom elements (B) provides a measure of the vertical deflection of the cantilever. The two left photodiodes (C) and the two right photodiodes (D) provides a measure of the torsional deflection of the cantilever.
Note:1.All scanners are interchangeable. 2. When a scanner is changed, the parameter file for the new scanner must also be changed.
Figure 2.1f depicts the electrode configuration used on a typical scanner piezo tube.
3. Feedback and Gains
The feedback system used to control tip-sample interactions and render images must be optimized for each new sample. This is accomplished by adjusting gains in the SPM’s feedback circuit.