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扫描探针显微技术(SPM)
虽然STM图像不能简单地归结为原子的空间排布， 对STM图像的解释，通过量子化学的理论计算，并 结合表面分析技术（如AES、XPS等）结合起来， 综合分析，数据间相互印证等方法综合运用。
STM对工作环境要求较宽松，在大气、真空、溶液、 高温、低温等条件下均可，对各种不同状态的表面 化学研究十分便利。 例如，研究原位表面的化学反应，表面吸附、表面 催化、电化学腐蚀等。 在Si(001)表面上 SiH3→SiH2（吸附）+H（吸附）
iii 光学检测法 光学检测法中常用干涉法和光束偏转法两种。光 学干涉法的原理类似于迈克尔逊干涉仪，用两束 正交的偏振光，分别探测微悬臂的固定端和针尖， 经过微悬臂反射后，两束光发生干涉，干涉光相 位移动的大小与微悬臂形变量△Z有关。在扫描 过程中，通过反馈电路调整相位移恒定，就可以 得到表面形貌图像，分辩率在z方向为0.001nm。
三代显微镜的观察范围及典型物体
扫描探针显微镜的特点
相较于其它显微镜技术的各项性能指标比较
分辨率 扫描探 针显微 镜 透射电 镜 工作环境 样品环境 实环境、大 气、溶液、 真空 温度 室温或低 温 对样品 破坏程度 无 检测深度
原子级(0.1nm) 点分辨 (0.3~0.5nm) 晶格分辨 (0.1~0.2nm)
金属中的自由电子具有波动性，当电子波（ψ） 向表面传播遇到边界时，一部分被反射（ψR）， 而另一部分则可透过边界（ψT），从而在其表面 形成电子云，电子云的密度随距表面的距离成指 数衰减。当两金属靠得很近时，表面的电子云可 以相互渗透，即金属1的透射波ψT1与金属2的透 射波ψT2相互重叠，在两金属间形成电流，这一 现象被称为隧道效应，由此产生的电流为隧道电 流。隧道效应是粒子波动性体现，是一种典型的 量子效应。此时，如果在两金属或半导体上施加 电压，则电子定向流动，形成隧道电流。
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(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SPM
电子与物质的相互作用
透射电子显微镜的基本结构
光路系统 真空系统 电子线路系统
用于承载样品的基底——铜网
结构
制备 聚合物膜 碳膜
透射电子显微镜的基本实验技术 ——样品制备技术
分散技术 无机粉末、胶体体系 减薄技术 块体 生物样品：切片 高分子-无机复合材料：切片 金属：离子减薄
透射电子显微镜的基本实分析的特点
电子探针显微分析的优点是： 1. 微区分析 2. 形貌与成分的有机结合
电子探针显微分析的缺点是： 灵敏度比差：按所分析的元素而灵敏度不同，约为 0.03-0.008% 准确度差：尤其对于轻元素
X射线显微分析的方式
(1) 点分析 这种方法是把电子束固定打在样品的某一 点上对这一点的元素组成进行分析。可以分析很微小的区 域的化学组成。 (2) 线分析 这种方法是使样品固定不动，使电子束在 某一直线上连续移动，测定在这一直线上样品中某一元素 的分布情况。 (3) 面分布 系指样品不动而电子束在样品表面上的一 定区域进行扫描，以获得表征元素的浓度的二维分布图。 在应用时往往把背散射电子象和X射线象相对应，以表明元 素分布与形貌之间的关系。
下面介绍一下SPM 的第一个成员， STM的工作原理： 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，当样品与探针 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 势垒流向另一个电 极。这种现象即是 隧道效应。
扫描电子显微镜的基本实验技术 ——样品制备技术
蚀刻技术 真空喷镀技术 离子溅射技术
离子溅射在电子显微镜中的应用
1. 镀金: 增加样品导电性适合于SEM观察 2. 减薄: 减小样品厚度以适合于TEM观察
X射线显微分析技术 ——电子探针
扫描探针显微技术(spm)
SPM在生物医学领域的应用将进一步 拓展，如细胞形态学、生物分子结构 和功能研究等。
实现多模式、多功能集成
多模式集成
将多种SPM模式（如隧道电流、力曲线、扫 描隧道谱等）集成在同一台仪器上，实现更 全面的分析。
多功能集成
将SPM与其他分析技术（如光谱学、质谱学 等）集成，实现更全面的材料和生物样品分
在生物学中的应用
细胞形态学研究
利用SPM技术可以观察细胞表面形态和微观结构，研究细胞生长、 发育和疾病发生机制。
生物分子相互作用
SPM技术可以用于研究生物分子之间的相互作用，例如蛋白质与 DNA、蛋白质与蛋白质之间的相互作用。
生物传感器
利用SPM技术可以制备高灵敏度的生物传感器，用于检测生物分子和 细胞活性。
03 SPM的工作模式
接触模式
总结词
在接触模式下，探针与样品表面直接 接触进行扫描。
详细描述
在接触模式下，探针的尖端与样品表面紧 密接触，通过探针的垂直运动来扫描样品 表面。这种模式可以提供高分辨率和高对 比度的图像，适用于硬质和脆性样品。
非接触模式
总结词
非接触模式中，探针与样品表面保持一 定距离，避免直接接触。
在表面科学中的应用
表面形貌分析
SPM技术可以对材料表面进行高精度的形貌分析，研究表面粗糙 度、晶面取向等特性。
表面化学分析
结合其他分析手段，SPM技术可以用于研究表面化学组成和元素 分布。
表面改性
通过SPM技术可以对材料表面进行改性，例如在金属表面形成硬 质涂层、在玻璃表面制备防雾涂层等。
05 SPM的未来发展
宾宁和罗雷尔因此获得 了诺贝尔物理学奖。
原子力显微镜（AFM） 问世，由IBM苏黎世研究 实验室的伊瓦尔·冈萨雷 斯（Ivar Giaever）发明。
扫描探针显微镜SPM、SEM、AFM
三维扫描控制器
针尖与样品位置粗调
爬行方式-利用静电力，机械力或磁力的夹 紧并配合压电陶瓷的膨胀和伸缩，真空中 机械调节方式-单个或多个高精度差分调节 螺杆配合减速原理，可手动或步进电机，大 气环境中适用 螺杆与簧片结合方式-高精度调节螺杆顶住 差分弹簧或簧片系统来调节，低温条件下
三维扫描控制器
B
15.19 [nm]
A
200.00 nm
500.00 x 500.00 nm
0.00
All Area Length Length Area
A X Y 500.000[nm] 500.000[nm]
Length Length
B X Y 60.547[nm] 46.875[nm] 2838.135[(nm)2] 1.883[nm] 6.687[nm] 3.288[nm] 2.212[nm] 3.924[nm] 2.763[nm]
2.00 um
5.00 x 5.00 um
0.00
AlN
高分子膜
127.45 [nm]
2.00 um
5.00 x 5.00 um
0.00
高分子膜
NH4Cl枝晶
1.21 [um]
10.00 um
30.00 x 30.00 um
0.00
NH4Cl枝晶
NH0 um
扫描方式
AFM扫描方式
AFM微悬臂的光束反射法探测
SPM探测参数及水平分辨率
SPM9500-J3主要参数
TiO2-Pt DynamicMode
15.19 [nm]
200.00 nm
500.00 x 500.00 nm
0.00
TiO2-Pt DynamicMode
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
北京市海淀区中关村南大街 2 号数码大厦 A 座 2311/ 2 室
电话：010-82512606
传真：010-82512609
-2-
上海办公室
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电话：021-68866186
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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。
SPM(原子力显微镜)设备安全操作规程
扫描探针显微镜/SPM(原子力显微镜)设备安全操作规程前言扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy, SPM）是一种能够在原子、分子尺度上进行检测和表征的分析仪器。
此类显微镜利用扫描探针在样品表面上扫描，通过所获得的信号进一步得到样品表面的拓扑、结构和力学性质等信息。
因其高分辨率和单原子敏感性，尤其在纳米结构材料的表征上有着广泛的应用，而且已经成为了纳米科学与技术中不可或缺的工具之一。
然而，SPM技术操作需要注意许多安全事项，不当操作会引入样品污染、设备故障、人身安全等问题。
因此，本文将总结一些应该注意的安全操作规程，以提高SPM技术人员的意识和实验操作品质。
总则1.所有使用SPM的人员，应该经过专业培训并具有相应的操作证书。
2.只有在清洁、无异议的实验室内进行SPM操作，不得在人流、高分贝、高湿、高温等环境下进行。
3.严格按照使用手册和SPM设备厂商的安全规范进行操作。
4.禁止将SPM设备移动离开实验室。
5.禁止人为添乱或者胡乱修改设备参数。
操作规程1.仪器开启前，检查样品盒是否正确安装，确认样品及其密封是否符合IP67标准，检查SPM控制器是否处于正确运行状态。
2.操作人员应该穿戴适当的防护手套、口罩和实验服装，避免样品误触和发尘，注意个人卫生。
3.开机前，根据已运行实验数据的导向，设定扫描范围和参数，避免一次性盲目调整。
4.仪器工作期间，严禁同时使用或连接其它电子设备，以免与SPM的信号产生干扰。
5.操作人员应降低操作声音、保持微风不扰设备和样品，避免防尘屏幕上产生氧化物颗粒物。
6.对样品进行工作前的准备操作过程中，需要保留稳定的温度和一定的卧室气体环境，注意尽量避免冷带电流短时间过小或者样品污染。
7.实验完成后，必须先将压载台缓慢降低，保证样品表面与探针离开，再关闭样品盒和实验台，推出样品盒进行清洗。
操作误区1.停电后，不要直接关机或重新插拔SPM控制器电源连接线（DC12V/24V）和其他数据线，以免直接接触硬盘。
【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(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。
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。
用于高速扫描探针显微镜的高速致动器的开题报告
用于高速扫描探针显微镜的高速致动器的开题报告一、选题背景高速扫描探针显微镜（SPM）技术可以用于对各种材料的表面形貌和物理、化学性质进行高分辨率的研究，并且已被广泛应用于材料科学、化学、物理、生物学等领域。
高速扫描探针显微镜一般需要稳定而快速的高速致动器作为其扫描系统的核心部件，而且高速致动器的性能对SPM成像分辨率和信噪比等参数具有重要影响，因此需要对高速致动器进行设计和研究。
二、研究内容本研究旨在设计一种高速致动器，该致动器能够在高频率下进行工作，并具有较高的响应速度和稳定性，能够满足SPM成像的要求。
具体研究内容如下：1. 高速致动器的设计：通过分析SPM扫描系统的要求和工作环境，设计高速致动器的各种参数和结构，如振动形式、工作频率、材料、传感器、控制系统等。
2. 高速致动器的制作：利用MEMS技术或激光加工等现代加工技术，对高速致动器的零部件进行加工和组装。
3. 高速致动器的测试：采用多种测试方法对高速致动器的性能进行测试，包括频率响应、振动幅度、稳定性等参数的测定，并进行SPM成像测试。
三、研究意义本研究的结果对于提高SPM成像分辨率和信噪比等参数具有重要意义，为SPM技术的发展和应用提供了新的可能性。
另外，本研究的高速致动器设计和制作技术，也具有推广应用的价值，可以应用于其他需要高速致动器的领域。
四、研究方法本研究将采用数值模拟、理论分析和实验测试等多种方法进行：1. 数值模拟：采用有限元计算等方法，模拟高速致动器的结构和性能，优化设计方案。
2. 理论分析：结合力学、电气等基础理论，对高速致动器的性能进行分析和计算。
3. 实验测试：利用精密仪器对高速致动器的实际性能进行测试和验证，包括频率响应、振动幅度、稳定性等参数的测定，并进行SPM成像测试。
五、预期成果本研究的成果预期包括：1. 设计出一种高速致动器，能够在高频率下进行工作，并具有较高的响应速度和稳定性，能够满足SPM成像的要求。
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扫描探针显微镜（SPM）[显微镜的发展历史及种类]按照显微镜的发展历史（图1），第一代显微镜是光学显微镜，其分辨率受波长限制，极限分辨率为200纳米。
第二代显微镜是电子显微镜，包括透射电镜（TEM）和扫描电镜（SEM）, TEM的点分辨率为0.2~0.5nm，晶格分辨率为0.1~0.2nm，而SEM的分辨率为6~10nm，但二者都要求高真空的工作环境，使用成本高。
第三代显微镜就是扫描探针显微镜（SPM），包括扫描隧道显微镜（STM）和在STM基础上发展起来的原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等等。
扫描探针显微镜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。
图1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。
[SPM的原理]扫描隧道显微镜（STM）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。
由于隧道电流(纳安级)随距离而剧烈变化，让针尖在同一高度扫描材料表面，表面那些“凸凹不平”的原子所造成的电流变化，通过计算机处理，便能在显示屏上看到材料表面三维的原子结构图。
STM具有空前的高分辨率(横向可达0.1nm，纵向可达0.01nm),它能直接观察到物质表面的原子结构图，从而把人们带到了纳观世界。
扫描隧道显微镜工作时要检测针尖和样品之间隧道电流的变化，因此它只能直接观察导体和半导体的表面结构。
而在研究非导电材料时必须在其表面覆盖一层导电膜，导电膜的存在往往掩盖了样品的表面结构的细节。
为了弥补扫描隧道显微镜不能在绝缘表面工作的不足，1986年Binnig、Quate和Gerber发明了第一台原子力显微镜（AFM）。
原子力显微镜是将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品的表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在及微弱的排斥力（10-8—10-6N），通过扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。
利用光学检测法可以测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品的表面形貌的信息。
AFM的常用工作模式包括接触模式、横向力模式、轻敲模式、相移模式和抬起模式。
下面简单介绍一下接触模式和轻敲模式：接触模式：微悬臂探针紧压样品表面，扫描过程中与样品保持接触。
该模式分辨率较高，但成像时探针对样品作用力较大，容易对样品表面形成划痕，或将样品碎片吸附在针尖上，适合检测表面强度较高、结构稳定的样品。
轻敲模式：在扫描过程中微悬臂被压电驱动器激发到共振振荡状态，样品表面的起伏使微悬臂探针的振幅产生相应变化，从而得到样品的表面形貌。
由于该模式下，针尖随着悬臂的振荡，极其短暂地对样品进行“敲击”，因此横向力引起的对样品的破坏几乎完全消失，适合检测生物样品及其它柔软、易碎、易吸附的样品，但分辨率比接触模式较低。
[SPM的基本结构]SPM包括减振系统、头部探测系统、电子学控制系统和计算机软件系统四部分,各部分的关系如下图所示：图2 仪器基本构成示意图[SPM （扫描探针显微镜）操作流程]一、SPM 通用操作流程SPM 通用操作流程图二、STM（扫描隧道显微镜）操作流程注意：所有插件栏的操作都应当是鼠标单击（一）准备工作1.清洗剪刀、镊子、探针(初次使用要清洗3次,清洗时注意朝一个方向,注意清洗剪刀时丙酮不要接触到剪刀轴部，以免溶解机油)；剪针尖(剪刀和铂铱丝约成30度角度，剪时伴有向外剥离的动作)2.放针尖，把针尖架插入探头(露在外面3-5mm)注意：A、针尖稍微弯曲，插入针尖架上的细管中，以不掉出来为好B、为了防止丙酮溶液对针尖架部分的损伤，应当等探针的丙酮挥发后在放入针尖管套上3.制备样品（尽量提前制备好样品，并进行干燥处理）4.放样品到载物台（用镊子操作，注意不要让镊子碰到样品表面）（二）硬件操作1．打开电脑2．开启控制箱电源3．打开软件，切换到在线工作模式(此时仪器会自动识别当前针尖类型，软硬件自动切换到相应工作模式，头部液晶屏也会立即显示出当前工作模式)，如果此时想切换XY、Z的大小扫描范围的话，可以点击“新马达趋近”插件，选择好相应的扫描范围，关闭主程序，再切换到在线工作模式。
4. 调节机箱旋钮，设定初始值（设定点、针尖偏压在硬件状态栏中读数，反馈直接在旋钮上读数）：（1）设定点（电流）1.5—2.0(1.8为宜)；（2）偏压-0.15— -0.25(-0.2为宜)；（3）反馈1.0—1.5(1.3为宜)5.手动粗调使样品靠近针尖。
注意门板上的警示字样！！！注意：1.转动粗调旋钮前务必保证蝴蝶螺母是松开的,务必明确旋转方向和样品上升和下降的关系2.手动调节样品底座高度，用放大镜观察，针尖与样品距离为0.2-0.3mm最佳，注意不要有回调动作，观察“Z偏置”的指示条是否过头（过头则表明针尖撞上样品了,必须重新剪针尖）。
3.为保证结构刚性,请上升完样品后锁住蝴蝶螺母.（三）在线软件操作1. 点击“新马达趋近”插件图标，开始自动马达趋近(马达自动趋近的步数在12000-20000之间,超过25000则需复位重新手动调节后再用马达自动趋近)驱进结束后,如果“Z偏置”的指示条到达中间并发生严重抖动,则可能是针尖吸附颗粒或样品表面受到污染,再或者样品表面有水膜,需退回,样品换位置或对针尖进行清洗.2.点击“新图像扫描”插件图标，开始“恒流模式”扫描前设置以下参数：a)根据所感兴趣的样品特征，设定扫描范围b)调整扫描速度c)XY偏置复位d)打开算法；“高差”通道，就将“反向”和“斜面校正”都勾上。
其他通道只勾上“斜面校正”.e)角度调整为0度(或者90度)f)添加样品说明。
双击主程序标题栏上的“样品说明”出现对话框，在样品说明栏添加样品说明。
单击“修改”按钮完成修改。
g)设置数据采集通道,把右上角通道模式换成”隧道电流”.h)设置保留路径i)设置采样点数（默认为256*256）参数设置完后开始“恒流模式”扫描，开始扫描后点每个数据通道的“适应”3.保留、保存数据（四）结束硬件操作1. 扫描完毕，停止扫描，执行马达复位命令2.手动调节样品底座，退离针尖，取下样品。
注意：退离时务必保证松开蝴蝶螺母3.关闭程序，关闭控制箱电源，关闭电脑三、轻敲AFM（原子力显微镜）操作流程注意：所有插件栏的操作都应当是鼠标单击（一）准备工作1、放针尖(针尖是做在硅片上,并且针尖向上,从双面胶上取针尖时,应用镊子慢慢晃动硅片,直至硅片取下,把硅片反方向粘在针尖架上)，把针尖架插入探头(插入后针尖朝下)；注意：这个过程任何东西碰上针尖都会导致针尖受损2、制备样品（尽量提前制备好样品，并进行干燥处理）注意：A、用镊子操作，注意不要让镊子碰到样品表面B、样品检查：表面不能有明显沾污和灰尘（二）硬件操作1、打开电脑2、开启控制箱电源3、打开软件，切换到在线工作模式(此时仪器会自动识别当前针尖类型，软硬件自动切换到相应工作模式，头部液晶屏也会立即显示出当前工作模式)，如果此时想切换XY、Z的大小扫描范围的话，可以点击“新马达趋近”插件，选择好相应的扫描范围，关闭主程序，再切换到在线工作模式。
4、调光(打开“原子力光路调整”插件，关闭“自动扫频”和“起振”)a)粗调探测头部上方两个旋钮，让激光光斑大约打在针尖基座上，配合CCD调节b)调节探测头部上方两个旋钮，让光斑打在所选针尖的末端，通常用一块纸片放在四象接收器前判断光斑的位置和亮度，充分利用斜面导致的光斑位置变化c)粗调探测头部侧面两个旋钮，让光斑基本打在四象接收器中间d)调节探测头部侧面两个旋钮，并打开“原子力光路调整”插件，关闭“自动扫频”和“起振”，将光斑打在四象接收器正中间e) 将激光功率调至最小值（<3.0,2.0-2.5为宜）（尽量不要用螺丝刀，人工调节）,或者扫描精细样品时，可以选择精密模式5、寻共振峰a)打开“原子力光路调整”插件，添加“自动扫频”和“起振”，点“复位”b)根据针尖参数选择共振峰的位置，通过拖动鼠标左键来缩小区域c)在缩小范围的时候，如果遇上没有波形，可以微调起始值，使得波形出现(扫频宽度1.8kHz左右为宜（推荐1.84）)d)将波形放大到可以很容易选择的时候，就用Ctrl+鼠标左键单击确定共振频率e)增加或减少“激振幅度”使得“振动能量”值在30~50间6、调节机箱旋钮，设定初始值（设定点在硬件状态栏中读数，反馈直接在旋钮上读数）：a)设定点（阻尼）为硬件状态栏中“振动能量”值的60%；b)反馈1.0—1.5 (1.3为宜)7、手动粗调使样品靠近针尖。
注意门板上的警示字样！！！注意：1.转动粗调旋钮前务必保证蝴蝶螺母是松开的,务必明确旋转方向和样品上升和下降的关系2.手动调节样品底座高度，用放大镜观察，针尖与样品距离为0.2-0.3mm最佳，注意不要有回调动作，观察“Z偏置”的指示条是否过头（过头则表明针尖撞上样品了）。
3.为保证结构刚性请上升完样品后锁住蝴蝶螺母.（三）在线软件操作1、点击“新马达趋近”插件图标，开始自动马达趋近(马达自动趋近的步数在12000-20000之间,超过25000则需复位重新手动调节后再用马达自动趋近)注意：轻敲模式容易产生“假趋近”，判断假趋近的方法是：A、马达趋近到位后，将设定点减小，看“硬件状态栏”中“Z偏置”的平衡条是否退出，如果退出就是假趋近，此时继续马达趋近就可以消除假趋近B、观察振动能量是否接近0，如果接近0，则让马达退出1000步，打开“原子力光路调整”插件，当共振峰出现后，关闭“原子力光路调整”插件，重新趋近2、点击“新图像扫描”插件图标，开始“恒流模式”扫描前设置以下参数：a)根据所感兴趣的样品特征，设定扫描范围b)调整扫描速度（扫描速度太快会损害针尖和样品），速度单位：（秒/行）c)XY偏置复位d)打开算法；“高差”通道，就将“反向”和“斜面校正”都勾上。
其他通道只勾上“斜面校正”e)角度调整为0度或者90度f)添加样品说明。
双击主程序标题栏上的“样品说明”出现对话框，在样品说明栏添加样品说明。