显微镜的STM原理与AFM基本原理介绍
纳米材料的表征方法之STM和AF
如果需要获取表面结构信息，STM更为适合；若主要关注 表面形貌，则AF更为合适。
实验条件与设备
考虑实验室现有设备和实验条件，包括真空度要求、样品 制备方式等，以确保实验的可行性和准确性。
05 STM和AF的未来发展
STM和AF的技术创新
新型探测器技术
利用新型探测器技术提高STM和 AF的灵敏度和分辨率，实现更精 确的纳米材料表征。
02 STM的基本原理及应用
STM的基本原理
STM的基本原理是基于量子力学和电子波动性的原理，通过测量针尖和样 品之间的微弱相互作用来获得表面形貌信息。
当针尖在样品表面扫描时，针尖和样品之间的隧道电流会发生变化，通过 测量这个电流的变化，可以获得表面形貌信息。
STM具有高分辨率和高灵敏度的特点，可以用于研究表面原子结构和电子 性质。
两者都需要极高的真空度
STM和AF的实验通常需要在高真空环境下进行，以减少表面污染和氧化。
两者都可以用于研究导体和绝缘体
STM和AF都可以用来研究导体、半导体和绝缘体的表面结构。
STM和AF的不同之处
信Байду номын сангаас获取方式不同
STM通过隧道电流检测表面结构，而AF通过测量光子反射率获取表 面形貌信息。
应用范围有差异
AF的分辨率很高，可以检测到单个原子，而且可以在大气环境下工作，不需要真 空条件。
AF在纳米材料表征中的应用
表面形貌观察
力学性能测试
AF可以用来观察纳米材料的表面形貌， 了解材料的表面粗糙度、颗粒大小等 信息。
AF可以用来测试纳米材料的力学性能， 如硬度、弹性模量等。
化学成分分析
通过AF的力曲线分析，可以了解不同 化学成分的原子间相互作用力的差异， 从而推断出材料的化学成分。
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。
扫描隧道显微镜STM和原子力显微镜AFM
智能化与自动化
提高STM和AFM的智能化和自动化 水平，简化操作过程，提高测量效率。
STM和AFM在各领域的应用前景
表面科学
STM和AFM将继续在表面科学 领域发挥重要作用，研究表面
重构、吸附、反应等过程。
纳米技术
STM和AFM在纳米技术领域的 应用将更加广泛，涉及纳米材 料、纳米器件的制备与表征。
隧道电流。
电流控制
STM通过控制探针和样品之间的电 压和电流，使隧道电流保持恒定， 从而实现对样品表面形貌的扫描。
高分辨率
由于隧道电流对探针和样品之间的 距离非常敏感，STM能够实现原子 级分辨率的表面形貌成像。
AFM技术原理
原子力检测
反馈系统
AFM通过检测探针和样品之间的微小 原子力变化来获取样品表面的形貌信 息。
05 STM和AFM的未来发展 与展望
STM和AFM的技术创新与改进
更高的分辨率
随着技术的不断进步，STM和AFM 有望实现更高的空间分辨率，从而揭 示更细微的表面结构和特性。
实时原位测量
未来STM和AFM将进一步实现实时 原位测量，以便在动态过程中观察表 面结构和性质的变化。
多模式测量能力
开发具有多模式测量能力的STM和 AFM，能够同时获取多种物理信息， 从而更全面地了解表面性质。
扫描隧道显微镜STM和原子力显 微镜AFM
目录
• 引言 • STM和AFM的技术原理 • STM和AFM的优缺点比较 • STM和AFM的实际应用案例 • STM和AFM的未来发展与展望
01 引言
STM和AFM的定义与工作原理
要点一
扫描隧道显微镜STM（Scanning Tunneli…
利用量子力学中的隧道效应，通过测量针尖与样品之间的 微弱电流来获取样品表面形貌的显微镜。
扫描隧道显微镜和原子力显微镜课件 STM与AFM
STM存在的问题
在Vb 和I保持不变的扫描过程中，如果功函数随样 品表面位置而异，也同样会引起探针与样品表面间距 S 的 变 化 ， 因 而 也 引 起 控 制 针 尖 高 度 的 电 压 Vz 的变 化。如样品表面原子种类不同，或样品表面吸附有原 子、分子时，由于不同种类的原子或分子团等具有不 同的电子态密度和功函数，此时STM给出的等电子态 密度轮廓不再对应于样品表面原子的起伏，而是表面 原子起伏与不同原子和各自态密度组合后的综合效 果。STM不能区分这两个因素。 利用表面功函数，偏置电压与隧道电流之间的关 系，可以得到表面电子态和化学特性的有关信息。
Potential barrier
0 V ( x) V0
for | x | d/2 for | x | d/2
Schroedinger’s equation of motion
d 2u ( x ) 2m 2 V0 E u ( x ) 0 2 dx
Electron (mass m, energy E) has finite probability of ‘tunneling’ through
原理
量子力学：
认为金属中的自由电子还具有波动性，这种 电子波φ1 向金属边界传播，在遇到表面位垒 时，部分反射为φR ，部分透过为φT 。这样， 即使金属温度不是很高，仍有部分电子穿透金 属表面位垒，形成金属表面上的电子云。这种 效应称为隧道效应。
Theory I: Quantum Barrier
P ( E ) e 2 kd
k 2 m (V0 E ) / 2
Theory II: Tunneling Current
insulator
metal 1
扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍
缺点: 对试样仍有较高要求,特别是平整度. 实验结果对针尖有较高的依赖性(针尖效应). 仍然属于表面表征技术,需和其他测试手段结合
谢谢大家！
3.STM的工作模式
恒流模式 x-y方向进行扫描，在z方向加上电子反馈系统，初始隧道电流为一恒定值， 当样品表面凸起时，针尖就向后退；反之，样品表面凹进时，反馈系统就 使针尖向前移动，以控制隧道电流的恒定。将针尖在样品表面扫描时的运 动轨迹在记录纸或荧光屏上显示出来，就得到了样品表面原子排列的图象。 此模式可用来观察表面形貌起伏较大的样品，而且可以通过加在 z方向上 驱动的电压值推算表面起伏高度的数值。
原子力显微镜
（Atomic Force Microscope , AFM） 报告人：董卫民 施淑颖
1.STM的发明
1982年，国际商业机器公司(IBM)苏黎世研究所的宾尼和罗雷尔及其同事们成功 地 研 制 出 世 界 上 第 一 台 新 型 的 表 面 分 析 仪 器 ， 即 扫 描 隧 道 显 微 镜 (Scanning Tunneling Microscope)。 它使人类第一次能够直接观察到物质表面上的单个原子及其排列状态，并能够研 究其相关的物理和化学特性。因此，它对表面物理和化学、材料科学、生命科学以 及微电子技术等研究领域有着十分重大的意义和广阔的应用前景。 STM的发明被国 际科学界公认为 20世纪80年代世界十大科技成就之一；由于这一杰出成就宾尼和罗 雷尔获得了1986年诺贝尔物理奖。
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)这个现象称为隧道效
应。
2.STM的原理
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：
显微镜的STM原理与AFM基本原理介绍
显微镜的STM原理与AFM基本原理介绍STM概述1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的G..Binnig和HeinrichRohrer 及其同事们共同研制成功了世界上第一台新型的表面分析仪器—扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope，简称STM)。
STM的出现，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，研究与表面电子行为有关的物理和化学性质，在表面科学、材料科学等领域的研究中具有重大的意义和广阔的应用前景，被国际科学界公认为八十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的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔因此获得诺贝尔物理学奖。
STM是继高分辨透射电子显微镜，场离子显微镜之后，第三种在原子尺度观察物质表面结构的显微镜，其分辨率在水平方向可达0.1nm，垂直方向可达0.01nm，它的出现标志着纳米技术研究的一个最重大的转折，甚至可以标志着纳米技术研究的正式起步，这是因为STM具有原子和纳米尺度的分析和加工的能力。
使用STM，在物理学和化学领域，可用于研究原子之间的微小结合能，制造人造分子；在生物学领域，可用于研究生物细胞和染色体内的单个蛋白质和DNA 分子的结构，进行分子切割和组装手术；在材料学领域，可以用于分析材料的晶格和原子结构，考察晶体中原子尺度上的缺陷；在微电子领域，则可以用于加工小至原子尺度的新型量子器件。
STM的工作原理STM是利用量子隧道效应工作的。
若以金属针尖为一电极，被测固体样品为另一电极，当他们之间的距离小到1nm左右时，就会出现隧道效应，电子从一个电极穿过空间势垒到达另一电极形成电流。
且其中Ub：偏置电压；k：常数，约等于1，Φ1/2：平均功函数，S：距离。
从上式可知，隧道电流与针尖样品间距S成负指数关系。
对于间距的变化非常敏感。
因此，当针尖在被测样品表面做平面扫描时，即使表面仅有原子尺度的起伏，也会导致隧道电流的非常显著的、甚至接近数量级的变化。
afm原理
AFM原理引言原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种应用于表面形貌测量的高分辨率显微镜技术。
它可以用来观察极小尺度下的表面结构和性质，对于纳米科学和纳米技术的研究具有重要意义。
本文将深入探讨AFM的工作原理、测量方法以及应用领域。
AFM的工作原理起源AFM的发展起源于1986年由IBM的Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明的扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy，STM）技术。
STM技术通过在样品表面和探针之间施加微弱的隧道电流来测量和调整距离，以此获得样品表面的形貌信息。
原理AFM在STM的基础上进行了改进，主要改变是探测方式。
AFM使用微小的力量来感知样品表面的形态。
1.悬臂梁探针：AFM使用一根极其细小、尖锐的探针，这通常由硅（Si）或碳纳米管制成。
悬臂梁探针由纳米尖端和可弯曲的弹性悬臂构成。
2.范德华力：当探针尖端非常靠近样品表面时，范德华力开始作用。
范德华力是由于探针尖端和样品表面之间的分子间相互作用导致的。
3.弹性变形：当范德华力作用在悬臂梁探针上时，会引起弹性变形。
悬臂梁的弹性变形程度与范德华力的大小成正比。
4.光束偏转：使用激光束照射到悬臂梁上，并通过探针尖端的反射，将激光束偏转，从而测量探针尖端的弹性变形。
5.反馈机制：AFM使用一个反馈机制来保持探针尖端与样品表面之间的恒定距离。
通过控制悬臂梁的弯曲，反馈机制将调整探针的位置，使探针尖端与样品表面保持恒定的力。
通过测量悬臂梁的弯曲来控制距离。
AFM的测量方法侵入式测量侵入式测量是最常用的AFM测量方法之一。
它通过探针尖端直接接触样品表面来测量其形貌和性质。
1.随机扫描：探针尖端沿着样品表面进行随机扫描，通过记录每个点的弯曲程度，从而获得样品的形貌信息。
2.刚体扫描：探针尖端连续接触样品表面，并以固定的速度进行扫描。
通过记录弹性变形的大小和位置，可以获得更加精确的形貌信息。
扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍
扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）和原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是近代纳米科技研究中最常用的两种显微镜。
它们的工作原理基于量子力学和原子间相互作用的特性，能够在原子尺度上对材料进行高分辨率的观察和测量。
本文将对这两种显微镜的原理和应用进行详细介绍。
一、扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）STM是由布特和罗人于1982年发明的一种高分辨率的表面形貌和电子性质的检测仪器。
它的工作原理基于电子的量子隧穿效应。
当一个金属探针在纳米尺度上与样品表面非常靠近时，由于量子隧穿效应的存在，探针上的电子会通过真空隧穿到样品表面，形成一晶格单位长度上的隧穿电流。
通过控制探针和样品之间的距离，并测量隧穿电流的变化，就可以在纳米尺度上对样品表面的形貌和电导率进行高分辨率的成像。
STM的应用非常广泛。
首先，它可以用于表面形貌的观察和测量。
利用STM的纳米尺度分辨率，可以研究材料表面的形貌结构，比如晶体表面、纳米颗粒的形貌等。
其次，STM可以用于电子能级的探测。
通过测量隧穿电流的大小和变化，可以了解样品的电子性质，比如导体与绝缘体的电子分布、局域缺陷的电子能级等。
另外，STM还可以用于表面化学反应的研究。
通过在STM系统中加入气体环境和局部加热等手段，可以直接观察表面化学反应的过程和反应产物等。
二、原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）AFM是由盖柏勒（Gerd Binnig）和罗隆德（Heinrich Rohrer）于1986年发明的一种非接触式的力学检测器。
它的工作原理基于探针尖端与表面之间的力的相互作用。
AFM采用非接触的方式，将探针尖端靠近样品表面，并通过测量探针向上弯曲或偏移的程度，来推测表面的形貌和性质。
原子力显微镜基本原理
原子力显微镜一、概述原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由IBM 公司的Binnig与史丹佛大学的Quate 于一九八五年所发明的，其目的是为了使非导体也可以采用扫描探针显微镜（SPM）进行观测。
原子力显微镜与扫描隧道显微镜的区别在于：扫描隧道显微镜STM 原子力显微镜AFM 原理电子隧道效应原子间的范德华力样品导电Y N分辨率低高生物样品制备复杂易损坏，现场操作性差对工作环境、样品性质等方面的要求非常低二、基本原理原子力显微镜（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。
三、硬件架构在原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。
1、力检测部分在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的力是原子与原子之的范德华力。
所以在本系统中是使用微小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变化量。
这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。
2、位置检测部分在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针尖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SPM控制器作信号处理。
3、反馈系统在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持合适的作用力。
STM & AFM & NSOM & Confocal Optical
2.结构示意
3.基本原理
• 一根探针慢慢地通过要被分析的材料（针 尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成）。一 个小小的电荷被放置在探针上，一股电流 从探针流出，通过整个材料，到底层表面。 当探针通过单个的原子，流过探针的电流 量便有所不同，这些变化被记录下来。电 流在流过一个原子的时候有涨有落，如此 便极其细致地探出它的轮廓。
二、 AFM （原子力显微镜）
• 原子力显微镜 （atomic force microscope，简 称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。
仪器 发明 局限 性 结构 示意
仪器 应用
基本 原理
1.仪器发明
• 宾宁（Binning）、魁特（Calvin Quate）和格勃 （Gerber）于1986年发明第一台原子力显微镜， 而第一台商业化原子力显微镜于1989年生产的。
2.结构示意
3.基本原理
• 共焦扫描显微镜是利用物镜使光束聚焦形成的小 光点对样品逐点成像。共焦显微镜采用共轭焦点 技术，使光源，被照物点和探测器处在彼此对映 的共轭位置，光源经物镜在样品表面锐聚焦成衍 射限制的斑点，其反射光或透射光再次通过物镜 或聚光镜在空间滤波器的共焦针孔平面成像。由 靠近像面位置的探测器接收光信号。
第一台原子力显微镜（AFM）
2.结构示意
• 在原子力显微镜（Atomic Force Microscopy， AFM）的系统中，可分成三个部分：力检测部分、 位置检测部分、反馈系统。
原子力显微镜(AFM)系统结构
3.基本原理
• 当原子间距离减小到一定程度以后,原子间的作用力将迅 速上升。因此,由显微探针受力的大小就可以直接换算出 样品表面的高度,从而获得样品表面形貌的信息。
电镜的基本原理(3)AFM 和 STM
__ AFM
原于力显微镜与TEM和SEM比有明显不同，它 用一个微小的探针来“摸索”微观世界. AFM超越 了光和电子波长对显微镜分辨率的限制，在立体 三维上观察物质的形貌，并能获得探针与样品相 互作用的信息．典型AFM的侧向分辨率(x，y方向) 可达到2nm，垂直分辩牢(Z方向)小于0．1nm．AFM 具有操作客易、样品准备简单、操作环境不受限 制、分辨率高等优点。
STM的局限性
不能探测样品的深层信息，无法直接观 测绝缘体，探针扫描范围小，探针质量 依赖于操作者的经验等。
P47多模式扫描探针显微镜
主要性能指标： 样品尺寸：4040毫米,厚度10毫米 扫描器范围：14141.4微米 50503微米 最小步进值：0.02埃 0.07埃 X,Y方向D/A:22 bits Z方向分辨率：0.25埃 数据采集通道数：4 隧道电流测量范围：30pA-50nA(标准STM探头) 3pA-5nA(低电流STM探头） 最大扫描点数：10001000 减震系统：悬挂减震 样品定位：手动螺旋测微器（选件） 定位精度：5微米 定位范围：55毫米 光学显微镜：双筒长焦距光学显微镜（选件） 放大倍率:8.4x-100x(使用14倍目镜) 彩色CCD摄象机:>470线，43x-470x(选件） 彩色监视器:>500线,14“(选件）
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。
AFM和STM
STM工作原理
三、STM的基本结构
整体结构
STM 仪器由具有减振系统的STM 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。
扫描隧道显微镜的核心部分
三、STM的基本结构 重要部件
针尖 隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要 问题之一。针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着 扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也影 响着测定的电子态。 目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法(金属钨 丝)、机械成型法(铂-铱合金丝)等。
接触式AFM的基本原理
轻敲式AFM的基本原理
在轻敲模式中，用一个外加的振荡信号驱动探针在 样品表面上方振动。探针振动的振幅也可通过光 斑位置检测器的上下部分的光强差来确定。当探 针未逼近样品时，探针在共振频率附近作自由振 动；当探针在样品表面扫描时，由于样品表面的 原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力， 探针的振幅减小。反馈电路测量振幅的变化量， 通过改变加在扫描器Z方向上的电压，保持探针 振幅的恒定，计算机记录这个电压，即反映了样 品的表面形貌。
一、STM的背景知识
2、STM的出现的意义
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。 1986年，STM的发明者宾尼和罗雷尔被授予诺 贝尔物理学奖。
式中Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，S为样品与 针尖的距离，Φ是平均功函数，A为常数，在真空条件 下约等于 1．
二、STM的基本原理
由前式可知，隧道电流强度对针尖和样 品之间的距离有着指数的依赖关系，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。
原子力显微镜的原理及其在材料科学中的应用
原子力显微镜的原理及其在材料科学中的应用原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）是一种高分辨率和高灵敏度的显微镜。
它是由中学奥林匹克名词术语“扫描隧道显微镜”(Scanning Tunneling Microscope, STM)发展而来，STM具有原子分辨率，但是只能对导电样品进行观察。
与STM相比，AFM适用于非导体样品。
AFM的工作原理是利用针尖扫描样品表面，测量其中原子之间的相互作用力，从而重建样品表面的三维形状。
针尖通过纳米尺度接触样品表面，与样品表面的相互作用力包括原子间力、范德华力和静电排斥力等不同种类的作用力。
根据量子力学原理，扫描针尖和样品表面之间的距离只有纳米级别，因此可以得到非常高的分辨率。
此外，AFM可以在常温和常压下进行观测，也可以在液体中进行。
在材料科学中，AFM已经成为了非常重要的表征工具。
它可以对材料表面的形貌、电性、力学性质等进行分析。
例如，材料表面的缺陷和界面对其性能起着至关重要的作用。
利用AFM可以精确地获得这些信息，从而优化材料的设计和制造工艺。
通过AFM观察的一些研究成果显示，表面的形貌对材料的性能和功能有着显著的影响。
例如，在生物医学领域，利用AFM可以对细胞膜的微观结构和力学性质进行研究。
这些研究有助于了解细胞的生理机制，并且可以为疾病的诊断和治疗提供帮助。
另外，AFM还可以作为纳米加工和纳米制造的工具。
它可以利用在样品表面扫描的过程中对针尖位置的控制，以原子级别的精度对样品表面进行修改。
总之，原子力显微镜已经成为了材料科学中不可或缺的工具，其高分辨率和高灵敏度使得它在表征材料表面性质和研究材料性能方面有着广泛的应用。
SEM及AFM概述
AFM的优点
STM 的探针是由针尖与样品之间的隧道电流的变化决 定的, STM要求样品表面能够导电，只能直接观察导体 和半导体的表面结构。 对于非导电的物质则要求样品 覆盖一层导电薄膜，但导电薄膜的粒度和均匀性难以 保证，且掩盖了物质表面的细节。
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。因此，AFM 除导电样品外，还能够观测非导电 样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆盖，其应用领 域将更为广阔。
利用STM，物理学家和化学家可以研究原子之间的 微小结合能，制造人造分子；生物学家可以研究生物细胞 和染色体内的单个蛋白质和DNA分子的结构，进行分子切 割和组装手术；材料学家可以分析材料的晶格和原子结构 ．考察晶体中原子尺度上的缺陷；微电子学家则可以加工 小至原子尺度的新型量子器件。
原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由Binnig与史 丹佛大学的Quate 于一九八五年 所发明的
STM、AFM的原理及应用
1 扫瞄隧道显微镜（STM）
扫描隧道显微镜发明前的微观形貌检测技术
任何一项发明都不是凭空产生的，都是在前面的工作的基础上的进化。扫描隧道显 微镜也不例外。扫描隧道显微镜是用来检测微观形貌的，在其发明以前，就有几种 微观形貌检测技术了，只是分辨率较低。
表面微观形貌的测量，从原理上可以分为两类：
原子力显微镜的硬件架构
• 力检测部分 • 位置检测部分 • 反馈系统
AFM的工作原理
为原子的直径 为原子之间的距离
在原子力显微镜的系统中，是 性。
在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微小悬臂来感 测针尖与样品之间的交互作用，这作用力会使悬臂摆动 ，利用激光将光照射在悬臂的末端，当摆动形成时，会 使反射光的位置改变而造成偏移量，此时激光检测器会 记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于 系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的 方式给呈现出来。
(AFM)原子力显微镜原理介绍
原子力显微镜(AFM)原理一、原理原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由IBM公司的Binnig和史丹佛大学的Quate于一九八五年所发明的，其目的是为了使非导体也可以采用扫描探针显微镜（SPM）进行观测。
图1、原子和原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离的不同而有所不同，其之间的能量表示也会不同。
原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）最大的差别在于并非利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范德华力（Van Der Waals Force）作用来呈现样品的表面特性。
假设两个原子中，一个是在悬臂（cantilever）的探针尖端，另一个是在样本的表面，它们之间的作用力会随距离的改变而变化，其作用力和距离的关系如“图1”所示，当原子和原子很接近时，彼此电子云斥力的作用大于原子核和电子云之间的吸引力作用，所以整个合力表现为斥力的作用，反之若两原子分开有一定距离时，其电子云斥力的作用小于彼此原子核和电子云之间的吸引力作用，故整个合力表现为引力的作用。
若以能量的角度来看，这种原子和原子之间的距离和彼此之间能量的大小也可从Lennard –Jones的公式中到另一种印证。
为原子的直径为原子之间的距离从公式中知道，当r降低到某一程度时其能量为+E，也代表了在空间中两个原子是相当接近且能量为正值，若假设r增加到某一程度时，其能量就会为-E同时也说明了空间中两个原子之间距离相当远的且能量为负值。
不管从空间上去看两个原子之间的距离和其所导致的吸引力和斥力或是从当中能量的关系来看，原子力显微镜就是利用原子之间那奇妙的关系来把原子样子给呈现出来，让微观的世界不再神秘。
在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针和待测物之间交互作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。
所以在原子力显微镜中也利用斥力和吸引力的方式发展出两种操作模式：（1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜（contact AFM），探针和试片的距离约数个Å。
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）。
扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍
压电陶瓷或晶体
3.STM的仪器构造
所谓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。许多晶体，如石英等都具有压电性质， 但目前广泛采用的是多晶陶瓷材料，例如钛酸锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3](简称PZT)和 钛酸钡等。压电陶瓷材料能以简单的方式将1mV-1000V的电压信号转换成十几 分之一纳米到几微米的位移。
世界上第一台扫扫描道显微镜
葛·宾尼
海·罗雷尔
2.STM的原理
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V0 时，它不可能越过此势垒，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)这个现象称为隧道效 应。
在分子水平上构造电子学器件 一般情况下金属和半导体材料具有正的电导，即流过材料的电流随着所施加的电压 的增大而增加。但在单分子尺度下，由于量子能级与量子隧穿的作用会出现新的物 理现象──负微分电导。中国科技大学的科学家仔细研究了基于C60分子的负微分电 导现象。他们利用STM针尖将吸附在有机分子层表面的C60分子“捡起”，然后再 把C60移到另一个C60分子上方。这时，在针尖与衬底上的C60分子之间加上电压并 检测电流，他们获得了稳定的具有负微分电导效应的量子隧穿结构。这项工作通过 对单分子操纵构筑了一种人工分子器件结构。这类分子器件一旦转化为产品，将可 广泛的用于快速开关、震荡器和锁频电路等方面，这可以极大地提高电子元件的集 成度和速度。
4.STM的应用
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
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显微镜的STM原理与AFM基本原理介绍
STM概述
1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的G..Binnig和HeinrichRohrer 及其同事们共同研制成功了世界上第一台新型的表面分析仪器—扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope，简称STM)。
STM的出现，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，研究与表面电子行为有关的物理和化学性质，在表面科学、材料科学等领域的研究中具有重大的意义和广阔的应用前景，被国际科学界公认为八十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的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔因此获得诺贝尔物理学奖。
STM是继高分辨透射电子显微镜，场离子显微镜之后，第三种在原子尺度观察物质表面结构的显微镜，其分辨率在水平方向可达0.1nm，垂直方向可达
0.01nm，它的出现标志着纳米技术研究的一个最重大的转折，甚至可以标志着纳米技术研究的正式起步，这是因为STM具有原子和纳米尺度的分析和加工的能力。
使用STM，在物理学和化学领域，可用于研究原子之间的微小结合能，制造人造分子；在生物学领域，可用于研究生物细胞和染色体内的单个蛋白质和DNA 分子的结构，进行分子切割和组装手术；在材料学领域，可以用于分析材料的晶格和原子结构，考察晶体中原子尺度上的缺陷；在微电子领域，则可以用于加工小至原子尺度的新型量子器件。
STM的工作原理
STM是利用量子隧道效应工作的。
若以金属针尖为一电极，被测固体样品为另一电极，当他们之间的距离小到1nm左右时，就会出现隧道效应，电子从一个电极穿过空间势垒到达另一电极形成电流。
且其中Ub：偏置电压；k：常数，约等于1，Φ1/2：平均功函数，S：距离。
从上式可知，隧道电流与针尖样品间距S成负指数关系。
对于间距的变化非常敏感。
因此，当针尖在被测样品表面做平面扫描时，即使表面仅有原子尺度的起伏，也会导致隧道电流的非常显著的、甚至接近数量级的变化。
这样就可以通过测量电流的变化来反应表面上原子尺度的起伏，如下图右边所示。
这就是STM 的基本工作原理，这种运行模式称为恒高模式（保持针尖高度恒定）。
STM还有另外一种工作模式，称为恒流模式，如下图左边。
此时，针尖扫描过程中，通过电子反馈回路保持隧道电流不变。
为维持恒定的电流，针尖随样品表面的起伏上下移动，从而记录下针尖上下运动的轨迹，即可给出样品表面的形貌。
恒流模式是STM常用的工作模式，而恒高模式仅适于对表面起伏不大的样品进行成像。
当样品表面起伏较大时，由于针尖离样品表面非常近，采用恒高模式扫描容易造成针尖与样品表面相撞，导致针尖与样品表面的破坏。
STM原理图
AFM的工作原理
AFM的基本原理与STM类似，在AFM中，使用对微弱力非常敏感的弹性悬臂上的针尖对样品表面作光栅式扫描。
当针尖和样品表面的距离非常接近时，针尖尖端的原子与样品表面的原子之间存在极微弱的作用力（10-12~10-6N），此时，微悬臂就会发生微小的弹性形变。
针尖与样品之间的力F与微悬臂的形变之间遵循虎克定律：F=-k*x ，其中，k为微悬臂的力常数。
所以，只要测出微悬臂形变量的大小，就可以获得针尖与样品之间作用力的大小。
针尖与样品之间的作用力与距离有强烈的依赖关系，所以在扫描过程中利用反馈回路保持针尖与样品之间的作用力恒定，即保持为悬臂的形变量不变，针尖就会随样品表面的起伏上下移动，记录针尖上下运动的轨迹即可得到样品表面形貌的信息。
这种工作模式被称为“恒力”模式（Constant Force Mode），是使用最广泛的扫描方式。
AFM的图像也可以使用“恒高”模式（Constant Height Mode）来获得，也就是在X，Y扫描过程中，不使用反馈回路，保持针尖与样品之间的距离恒定，通过测量微悬臂Z方向的形变量来成像。
这种方式不使用反馈回路，可以采用更高的扫描速度，通常在观察原子、分子像时用得比较多，而对于表面起伏比较大的样品不适用。
原子力显微镜工作原理图
AFM有多种操作模式，常用的有以下4种：接触模式（Contact Mode）、非接触（Non-Contact Mode）、轻敲模式(Tapping Mode)、侧向力
(Lateral Force Mode)模式。
根据样品表面不同的结构特征和材料的特性以及不同的研究需要，选择合适的操作模式。
AFM三种操作模式的比较
接触模式
在接触模式中，针尖始终与样品保持轻微接触，以恒高或恒力的模式进行扫描。
扫描过程中，针尖在样品表面滑动。
通常情况下，接触模式都可以产生稳定的、高分辨率的图像。
在接触模式中，如果扫描软样品的时候，样品表面由于和针尖直接接触，有可能造成样品的损伤。
如果为了保护样品，在扫描过程中将样品和针尖之间的作
用力减弱的话，图像可能会发生扭曲或得到伪像。
同时，表面的毛细作用也会降低分辨率。
所以接触模式一般不适用于研究生物大分子、低弹性模量样品以及容易移动和变形的样品。
非接触模式
在非接触模式中，针尖在样品表面上方振动，始终不与样品接触，探针监测器检测的是范德华力和静电力等对成像样品的无破坏的长程作用力。
这种模式虽然增加了显微镜的灵敏度，但当针尖与样品之间的距离较长时，分辨率要比接触模式和轻敲模式都低，而且成像不稳定，操作相对困难，通常不适用于在液体中成像，在生物中的应用也比较少。
轻敲模式
在轻敲模式，微悬臂在其共振频率附近作受迫振动，振荡的针尖轻轻的敲击样品表面，间断的和样品接触，所以又称为间歇接触模式。
由于轻敲模式能够避免针尖粘附到样品上，以及在扫描过程中对样品几乎没有损坏。
轻敲模式的针尖在接触表面时，可以通过提供针尖足够的振幅来克服针尖和样品间的粘附力。
同时，由于作用力是垂直的，表面材料受横向摩擦力、压缩力和剪切力的影响较小。
轻敲模式同非接触模式相比较的另一优点是大而且线性的工作范围，使得垂直反馈系统高度稳定，可重复进行样品测量。
轻敲模式AFM在大气和液体环境下都可以实现。
在大气环境中，当针尖与样品不接触时，微悬臂以最大振幅自由振荡；当针尖与样品表面接触时，尽管压电陶瓷片以同样的能量激发微悬臂振荡，但是空间阻碍作用使得微悬臂的振幅减小，反馈系统控制微悬臂的振幅恒定，针尖就跟随样品表面的起伏上下移动获得形貌信息。
轻敲模式同样适合在液体中操作，而且由于液体的阻尼作用，针尖与样品的剪切力更小，对样品的损伤也更小，所以在液体中的轻敲模式成像可以对活性生物样品进行现场检测、对溶液反应进行现场跟踪等。
侧向力模式
横向力显微镜（LFM）工作原理与接触模式的原子力显微镜相似。
当微悬臂在样品上方扫描时，由于针尖与样品表面的相互作用，导致悬臂摆动，其形变的方向大致有两个：垂直与水平方向。
一般来说，激光位置探测器所探测到的垂直方向的变化，反映的是样品表面的形态，而在水平方向上所探测到的信号的变化，由于物质表面材料特性的不同，其摩擦系数也不同，所以在扫描的过程中，导致微悬臂左右扭曲的程度也不同。
微悬臂的扭转弯曲程度随表面摩擦特性变化而增减（增加摩擦力导致更大的扭转）。
激光检测器可以实时分别测量并记录形貌和横向力数据。
通常不仅样品表面组分不同可以导致微悬臂扭曲，样品表面形貌的变化也会导致微悬臂的扭曲，如下图所示。
为了区分这二者，通常LFM图像和AFM图像应该同时获得。
根据导致微悬臂扭曲的原因不同，通常可以利用LFM获得物质表面的组分构成像和“边缘增强像”。