扫描探针显微镜

工作：
一：把两只MF固定在GP上，同时在构成三角形的压电 陶瓷条中的相应两条施加电压，两条压电陶瓷材料的膨 胀或收缩（依据所加电压的符号），另一只没有固定的 MF作微小移动．
二：把这只MF固定而放松前两只MF，同时去掉加在压 电陶瓷上的电压，使其长度复原．
三：循环的结果是“虱子”爬行了一步。
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
扫描探针显微镜的产生
1982年
扫描隧道 显微镜
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。
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。
三维扫描控制器
用压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主要有 三脚架型、单管型和十字架配合单管型等几种。
扫描探针显微镜
显微镜的发展: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(约300倍）
显微镜的发展：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）
原 子 间 范 德 华 力
图1、原子与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：利用微小探针与待测物之间 交互作用力，来呈现待测物表面的物理特性。
利用斥力与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 针与试片的距离约数个Å 。
T16E(V0E)e2a 2m(V0E) V02
实验设想：
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；
当样品与针尖距离非常接近 (通常小于1nm) ； 加入外加电场的作用下。
结果：电子会穿过两个电极之间的势垒流 向另一电极，形成电流，即隧道电流。
STM就是运用了“隧道效应”这一原理，如图：
四：以适当的顺序控制加在压电陶瓷上和MF上的电压和 频率， “小爬虫”可以在 GP上沿不同方向一步步爬行． 一般每步在10μm 至许1μm之间，每 秒可爬行30步．
力检测部分： 在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的力
是原子与原子之间的范德华力。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。
1. 压电陶瓷
控制针尖在样品表面进行高精度的扫描，目前普遍 使用压电陶瓷材料作为x-y-z扫描控制器件。
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（多晶陶瓷材料，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
至此，电子显微镜的分辨率达到纳米级
扫描探针显微镜的产生的必然性
低能电子衍射 和
X射线衍射
高分辨透射电子 显微镜
光学显微镜 和
扫描电子显微镜
X射线光电子 能谱
场电子显微镜 和
场离子显微镜
样品具有周期性结构
用于薄层样品的体相和界面研究
不足分辨出表面原子
只能提供空间平均的电子结构 信息
只能探测在半径小于100nm的针尖上的原子 结构和二维几何性质，且制样技术复杂
（2）利用原子吸引力的变化而产生表面轮
廓为非接触式原子力显微镜（non-contact AFM），探针与试片的距离约数十到数百Å 。
AFM的操作原理
SPM基本结构
一：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。
Binnis和Rohrer等人在IBM苏黎世实验室设计的STM
中，采用的的粗调驱动器（作“小爬虫”，Louse）
粗调驱动器(L)由连成 三角形的三条相互绝 缘的压电陶瓷材料和 三只金属脚（MF）构 成．MF外镀一层高绝 缘薄膜，使其与水平 金 属 台 板 (GP) 高 度 绝 缘 ． 在 MF 和 GP 之 间 加上电压，由于静电 作 用 MF 就 被 吸 在 GP 上，去掉电压，MF则 被“释放”．
扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)工作原理：
一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0：
经典物理学：不可能越过此势垒，透射系数等 于零，粒子将完全被弹回。
量子力学：一般情况下，其透射系数不等于零， 粒子可以穿过比它能量更高的势垒（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：：
探针与样品之间的缝隙就相当于一个势垒，电 子的隧道效应使其可以穿过这个缝隙，形成电 流，并且电流对探针与样品之间的距离十分敏 感，因此通过电流强度就可以知道到探针与样 品之间的距离
原子力显微镜（AFM)
STM的原理是电子的“隧道效应”，所以只能 测导体和部分半导体
1985年，IBM公司的Binning和Stanford大学的 Quate研发出了原子力显微镜（AFM），弥补了 STM的不足
位置检测部分： 在原子力显微镜（Biblioteka BaiduFM）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 供控制器作信号处理。