扫描探针显微镜
第10章 扫描探针显微镜
STM工作原理说明 STM工作原理说明
• 对于如此微小的扫描移动和精确的距离控制， 对于如此微小的扫描移动和精确的距离控制， STM的实现方法 依靠压电陶瓷。压电陶瓷是一种 STM的实现方法—依靠压电陶瓷。 的实现方法 依靠压电陶瓷 性能奇特的材料， 性能奇特的材料，当在压电陶瓷对称的两个端面加上 电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。 电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。而伸 长或缩短的尺寸与所加的电压的大小呈线形关系。 长或缩短的尺寸与所加的电压的大小呈线形关系。既 可以通过改变电压来控制压电陶瓷的微小伸缩。 可以通过改变电压来控制压电陶瓷的微小伸缩。把三 个分别代表X，Y，Z方向的压电陶瓷块组成三角架的 个分别代表X 形状。通过控制X 形状。通过控制X，Y方向伸缩达到驱动探针在样品 表面扫描的目的； 表面扫描的目的；通过控制 Z 方向压电陶瓷的伸缩 达到控制探针与样品之间距离的目的。 达到控制探针与样品之间距离的目的。
扫描探针显微镜家族成员
显微镜名称 扫描隧道顕微鏡 STM:Scanning Tunneling Microscopy 原子力顕微鏡 AFM:Atomic Force Microscopy 近接場光学顕微鏡 NSOM:Near-field Scanning Optical Microscopy 磁力顕微鏡 MFM:Magnetic Force Microscopy 摩擦力顕微鏡 FFM:Friction Force Microscopy 检测的物理量 隧道电流 原子力 近接場光 磁力 摩擦力
STM工作原理说明 STM工作原理说明
• STM探针的尖端是非常尖锐的，通常 STM探针的尖端是非常尖锐的 探针的尖端是非常尖锐的， 只有一两个原子。 只有一两个原子。因为只有原子级锐度的 针尖才能得到原子级分辨率的图象， 针尖才能得到原子级分辨率的图象，STM 探针通常是用电化学的方法制作的。 探针通常是用电化学的方法制作的。也有 人用剪切的简单方法得到尖锐的针尖。 人用剪切的简单方法得到尖锐的针尖。
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。
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。
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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。 （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
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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
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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。
实验三 扫描探针显微镜的构造及形貌分析
实验三 扫描探针显微镜的构造及形貌分析一、目的要求1.了解扫描探针显微镜的结构和构成以及其所包含的功能2.了解扫描探针显微镜的实验条件3.掌握扫描探针显微镜的成像原理及成像条件4.掌握扫描探针显微镜的样品前处理5.学会分析扫描探针显微镜的数据结果二、扫描探针显微镜的基本结构和工作原理1.扫描探针显微镜的基本结构扫描探针显微镜大体由探针、激光光路，扫描头、反馈与扫描控制电路，与数据采集和显示系统组成。
⑴探针：探针是扫描探针显微镜中探测样品表面信息的一个探头，其末端半径非常小。
扫描探针显微镜为一个有弹性很好的水平微悬臂支撑的金字塔型晶体针尖，一般在扫描探针工作的时候，针尖末端距离样品表面的距离只有几个埃左右，其与样品之间的相互作用力为范德华作用力，随着距离的变化迅速衰减。
四象限光电位置探测器实际由四个光电探测器组成，每个探测器为一个象限；当激光灯打在四象限位置探测器上，每一个象限将会接收到光信号，并且将一定强度的光信号转换为相应大小的电信号，通过四个象限的光强之差的大小，可探知光斑中心的位置，其中上两个象限（A 和B ）与下两个象限（C 和D ）的相对光强差（DIF 值）的大小代表了光斑在垂直方向上偏离中心的偏离量。
表示了悬臂的垂直弯曲量，左象限（B 和C ）与右象限（A 和D ）相对光强差（FFM 值）代表光斑水平偏离中心的偏离量，表示悬臂的横向扭曲量。
其探测针尖悬臂形变的原理为：整个激光光路系统是一个光杠杆放大器，当针尖与样品间的距离边小时，其相互作用力变大，导致针尖悬臂产生微小的形变。
针尖的微小形变导致了由针尖反射到检测器（四象限探测器）的激光光斑中心发生了偏移，由于整个光路的长度是针尖悬臂长度的几百到上千倍，所以整个光路将针尖微小的形变放大了上千倍，所以整个光路将针尖微小的形变放大了上千倍，达到了微米级四象限探测器可以将光斑中心离距离探测器中心的距离线性的 B A C D转化成电压，并且这种微米级的光斑移动可以被四象限检测器轻易检测到。
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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
力
0.1nm （原子 级分 辨率）
磁性探针－样品间的磁力
10nm
带电荷探针－带电样品间静电力 1nm
近场光学显微镜 SNOM
光探针接收到样品近场的光辐射 100nm
备注
统 称 扫 描 力 显 微 镜 SFM
扫描隧道显微镜 (scanning tunneling microscope)
扫描隧道显微镜 STM
溶液中，其工作温度可以在mK到1100K范围，并且探 测过程对样品无损伤； 5. 通过针尖与样品间的电学和力学作用，可以进行样品表 面的原子操纵或纳米加工，构造所需的纳米结构； 6. 配合扫描隧道谱STS可得到有关表面局域电子结构的信 息。
扫描隧道显微镜的原理结构
极细探针与研究物质作为两个探极。
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 。
Байду номын сангаас
SPM分类
名称
检测信号
分辨率
扫 描 探 针 显 微 镜
SPM
扫描隧道显微镜 STM
原子力显微镜AFM
横向力显微镜LFM
磁力显微镜MFM 静电力显微镜EFM
探针-样品间的隧道电流
探针－样品间的原子作用力 探针－样品间相对运动横向作用
扫描探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂― 铱丝等；被观测样品应具有一定导电性才可以产生隧道电流。
1、隧道电流
（1）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V0时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零；
而按量子力学的计算，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，这种现象称 为隧道效应。
隧道电流I是针尖的电子波函数和样品表面的电子波 函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S和平均功 函数Φ有关。
1
I Vb exp( A 2 S )
Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压， Φ[ =(Φ1 +Φ2)/2]是平均功函数,Φ1和Φ2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。
STM的工作原理示意图
y
x
z
VT , I r
反馈回路
S
样品与针
B
尖间距
原子尺度 针尖
A
被分 析样
品
扫描模式
恒电流模式：适用于观察表面形貌起伏较大的样品。 恒高度模式：扫描速度快，减少噪音等，不能用于观察表
面起伏大于1nm 的样品。
（a）恒电流模式；
（b）恒高度模式
STM的仪器构造
STM Instrumentation
穿过的概率和距离有关，距离越近，穿过的几率越大。当两 个电极相距在几个原子大小的范围时，电子能从一极到达另 一极，几率和两极的间距成指数反比关系。
扫描隧道显微镜（STM）的工作原理是基于量子力学 的隧道效应。
V0
E
a
量子力学中的隧道效应
透射系数
T
16E（V0 V02
E）e
2a
2m(V0 E)
STM由具有减振系统的 头部(含探针和样品台)、 电子学控制系统和包括 A/D 多功能卡的计算机组 成。
• Tip • Scanner • Sample positioner • Vibration isolation • Control electronics
扫描探针显微镜
（Scanning Probe Microscope，SPM）
刘东
显微镜发展历史
第一代：光学显微镜(1676) 第二代：电子显微镜(1938) 第三代：扫描探针显微镜SPM （1982）
扫描探针显微镜
SPM(Scanning Probe Microscope) 是扫描隧道显微镜 STM及原子力显微镜AFM，激光力显微镜LFM，磁力 显微镜MFM等的统称，国际上近年发展起来的表面分析 仪器。
由上式可知，隧道电流I对针尖和样品之间的距离 S有着指数的依赖关系，距离S每减小0.1nm，隧 道电流就增加一个数量级。
如果利用电子反馈线路控制隧道电流恒定不变， 当针尖在样品表面扫描时，探针就会随样品表面 高度的变化而上下波动，将这种高度的变化记录 下来就得到样品的表面形貌，这就是STM的工作 原理。
扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope) 1982年，Gerd Binning及其合作者在IBM公司
苏黎世实验室共同研制成功了第一台 ，因此获 得1986 年的诺贝尔物理奖 。 STM是通过检测隧道电流来反映样品表面形貌 和结构的。
扫描隧道显微镜 STM出现的意义