扫描探针显微镜的应用
扫描探针显微镜在二维材料中的应用
扫描探针显微镜在二维纳米材料中的应用1、原子力显微镜原理原子力显微镜是一种常用的扫描探针显微镜，是利用探针和待测样品表面极微弱的原子间相互作用力来探究材料的表面信息的高灵敏度的仪器。
它的基础功能是对材料表面的微观结构进行成像，分辨率能够达到原子级别。
图1给出了常用激光探测原子力显微镜的工作原理示意图。
控制针尖和样品的作用力保持恒定，当针尖和和样品相对移动时，探针高度会随着样品表面原子的高起伏而变化，高度敏感的微悬臂感受到这个变化，其振幅会随之改变。
激光器发出的激光聚焦在微悬臂的背面，并反射到一个由光电二极管阵列组成的检测器上，根据检测器光斑的位置可以判断微悬臂的振动振幅，进而知道样品表面的形貌信息。
之后，检测器收集的信息传递给反馈回路，反馈回路根据这个信息来判断针尖在样品上的位置，进而适当的调整探针和被测样品间的距离，使探针和样品表面的距离保持在原子相互作用力的范围之内，因为距离太近针尖可能损坏样品，太远则不能探测到信息。
图1 原子力显微镜的工作原理示意图根据针尖与样品之间的相互作用力是斥力还是引力，原子力显微镜的工作模分为为以下三类：1）接触模式（Contact Mode，CM)扫描过程中，针尖与样品表面原子的距离很近，相互作用力处于排斥区。
大约10-10～10-6N。
这时针尖就有可能破环样品的表面因此这种模式比较适合硬度高的样品。
高分辨的原子力显微镜使用这种模式，能够将分辨率提升到原子级别。
2）非接触模式（Non-contact Mode，NCM)非接触模式下，针尖与样品表面原子的距离相对较远（5～10 nm），作用力处于引力区（10-12 N），不会损坏样品，适用于硬度低的材料表面表征。
3）敲击模式（Tapping Mode，TM）针尖通过悬臂梁的振动周期性地敲击样品表面。
针尖和样品作用力的范围在接触模式和非接触模式之间，不会损伤样品表面，适于扫描硬度低的、易碎的或粘性样品。
2、原子力显微镜在二维材料中的应用原子力显微镜是目前二维材料精确的厚度测量和层数判断最主要的仪器，同时也是高精度判断二维材料表面形貌信息的仪器。
扫描探针显微镜及其应用
4）横向力扫描探针显微镜（LFM）
在接触模式下进行扫描时，探针在样品表面滑行，摩擦 力和表面形貌的变化会对微悬臂横向施加力，从而引起悬 臂梁的横向偏转，最终反映 到激光检测器上所获得信息。 由于表面摩擦力和表面机械形貌都能影响悬臂梁的横向偏 转，故常将AFM和LFM图象同时收集以便分析。
5）力调制扫描探针显微镜（FMM）
4）金属沉积过程研究
Au基片上通过控制电位，Cu+电化学沉积 并吸附Cu单原子层的SPM像
5）金属氧化层的研究
6）材料在不同温度下即时观察
聚乙烯单晶在退火前后的AFM即时观察
聚丙烯材料融化及结晶过程， 20µm 扫描
T=100oC
T=110oC
T=17）有机单分子层成像
Au（111）表面吸附KI引起的表面重构
表面重构观测 Measurements were done at RT
0 min
5 min
2 μm 15 min
2 μm 30 min
2 μm
2 μm
Annealing of SBS block copolymer film (100oC)
3）腐蚀研究
304不锈钢表面在NaCl溶液中的腐蚀过程AFM原位实时 观察（恒高模式）
表面分析技术SAT（衍射技术）——研究金属、半导体表面结构
X-射线、电子、中子衍射，
低能电子衍射（LEED），俄歇谱（AES）， 光电子能谱（ESCA），能量损失谱（ELS）， X射线光电子谱（XPS） ，紫外光电子谱（UPS）
局限性
OM、SEM：不足以分辨出表面原子 HRTEM：虽可获得局域结构信息，但制样困难，高
将一种抗体修饰在AFM针尖，将抗原固定在样品表 面，在AFM成像或做力曲线时可以对抗原-抗体的相互 作用进行分析。
SPM及其应用
带电荷探针-带电荷样品间静电力 1nm量级 10-100nm量级
统称 为扫 描力 显微 镜 (SFM)
近场光学显微镜(SNOM) 光探针接收到样品近场的光辐射
中科院化学所本原纳米仪器公司 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063
扫描探针显微镜(SPM)及其应用
本原纳米仪器有限公司
E-mail：wjh@
扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscopes, SPM）
本原CSPM-2000系列扫描探针显微镜
——集成了扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)和横向力显微镜(LFM)
技术指标
862037618250扫描探针显微镜的些局限性由于其工作原理是控制具有一定质量的探针进行扫描成像因此扫描速度受到限制检测效率较其他显微技术低由于压电效应在保证定位精度前提下运动范围很小目前难以突破100um量级而机械调节精度由无法与之衔接故不能做到象电子显微镜的大范围连续变焦定位和寻找特征结构比较困难目前扫描探针显微镜中最为广泛使用管状压电扫描器的垂直方向伸缩范围比平面扫描范围一般要小一个数量级扫描时扫描器随样品表面起伏而伸缩如果被测样品表面的起伏超出了扫描器的伸缩范围则会导致系统无法正常工作甚至损坏探针
STM
控制探针在样品表面 进行扫描,通过检测 扫描过程中探针和样 品表面局域间的隧道 电流得到样品表面的 信息
•
•
•
•
AFM
控制探针在样品表面 进行扫描,通过检测 扫描过程中探针和样 品表面局域间的作用 力得到样品表面的信 息
E-mail:sales@ 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250
纳米显微镜技术原理及其应用
纳米显微镜技术原理及其应用纳米科技已经成为当今世界发展的主要方向之一，其中纳米显微镜技术是纳米科技的重要组成部分。
纳米显微镜技术可以观察到微观之下的纳米级别物质结构，其修正了经典微观物理理论。
在生物、化学、材料研究等领域中，纳米显微镜技术已经成为不可缺少的研究工具。
本文将介绍纳米显微镜技术的原理及其应用。
一、扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy, SPM）SPM技术是纳米显微镜技术中最为重要的一种。
其基本原理是利用微小的探针来扫描样品表面，利用扫描探针与样品之间的相互作用进行成像，从而观察到超微观的表面形貌和性质。
常见的SPM技术包括原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）和隧道电子显微镜（Scanning Tunneling Microscopy, STM）。
AFM是扫描探针显微镜技术中最常见的一种，其工作原理是利用微小的探针接触样品表面，通过控制探针与样品之间的力距离关系，进行成像。
AFM成像具有高分辨率与高灵敏度等优点，常用于观测固体表面的拓扑结构、纳米级别的力学性质、磁学性质等。
STM则利用电子的量子隧穿特性进行成像。
STM中，探针与样品之间有一极小的电压，电子能从样品的表面隧穿到探针的表面，通过隧穿电流的变化实现成像。
STM广泛应用于表面物理、材料科学等领域中，可对金属、半导体和绝缘体等样品的表面进行高分辨率成像。
在STM的基础上又发展出了高分辨率电子显微镜（High Resolution Electron Microscopy, HR-TEM）。
二、透射电镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）TEM技术使用电子束照射样品，观察样品内部结构。
其主要原理是利用电子的波粒二象性，电子束经过样品后，其传播方向和速度会因为样品内部的结构和性质而改变。
根据电子的散射和透射等现象，可以得到样品内部的微观结构信息。
扫描探针显微镜STM及AFM及其在材料研究中的应用
STM像
分子自组装
Langmuir, 2008, 24(13), 6609-6615; Langmuir, 2008, 24(22), 12883-12891
超分子自组装
Chem. Commun., accepted
MOF生长过程研究
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
力ห้องสมุดไป่ตู้
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, STM)
Cycle nunber
✓ 实现锂枝晶成核初 期的原位观察
✓ 含FEC电极液所形 成的SEI膜可有效 抑制锂枝晶的生长
Small Methods., 2017, 1700298
(a) RT, (b) 70oC, (c) 80oC, (d) 90oC, (e) 100oC, (f) 110oC
实现对SEI膜热稳定性的实时原位研究
Atomic Percentage (%)
C
60
F
Li 45
30
15
0 RT 70 80 90 100 110 Temperature (C)
锂枝晶生长微观机制研究
为原子的直径 为原子之间的距离
当r降低到某程度时能量为＋E，代表空间中两原子相当接近且能 量为正，若假设r增加到某一程度时，其能量就会为－E 同时说 明空间中两个原子之距离相当远的且能量为负值。
利用扫描探针显微镜研究材料表面
利用扫描探针显微镜研究材料表面随着科技的不断进步，材料表面的研究变得愈发重要。
在材料科学中，材料表面的特性对于材料的性能、功能以及应用可能起着决定性的作用。
为了更好地理解材料表面的性质，人们使用了各种各样的技术，其中一种便是扫描探针显微镜。
扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy，SPM）是一种基于扫描探针的显微技术，通过探测器与样品之间的相互作用来研究材料表面的形态、结构以及性质。
这种技术具有高分辨率、高灵敏度和非破坏性等特点，能够在纳米尺度下观察和测量材料表面的微观结构和性质。
其中一种常见的扫描探针显微镜是原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）。
通过探针的尖端与样品表面的相互作用力，AFM能够绘制出材料表面的拓扑图像。
AFM可以实现高分辨率的表面测量，其分辨率可以达到纳米甚至次纳米级。
AFM的工作原理基于探针的尖端与样品表面之间的相互作用力。
探针的尖端通过弹性力与样品表面保持接触，并且在扫描过程中受到表面特征的影响。
通过感应探针尖端的弯曲变化，可以获取关于样品表面形貌以及力学性质等信息。
除了原子力显微镜，扫描探针显微镜还包括场发射显微镜（Field Emission Microscope，FEM）和电子探针显微镜（Electron Probe Microscope，EPM）等。
这些显微镜在不同的研究领域中发挥着重要的作用。
利用扫描探针显微镜进行材料表面研究可以帮助我们深入了解材料的结构和性质。
例如，通过观察材料表面的拓扑图像，可以分析材料的表面形状、纹理以及粗糙度等特征。
这对于材料的制备和性能的改善非常重要。
此外，扫描探针显微镜还可以用于研究材料表面的化学性质。
通过结合特定的化学探针，可以实现对材料表面化学组成和反应的表征。
这有助于我们了解材料的化学性质，并且为材料的应用提供参考。
扫描探针显微镜在材料科学领域的应用非常广泛。
它可以应用在金属、陶瓷、半导体、生物材料等各种类型的材料中。
2023年扫描探针显微镜行业市场发展现状
2023年扫描探针显微镜行业市场发展现状扫描探针显微镜是一种新型的高分辨率显微镜技术，可以对固体表面进行原子尺度的成像和分析。
随着科学技术的不断发展，扫描探针显微镜在材料科学、纳米技术、生物科学等领域的应用越来越广泛，成为了一个新兴的市场。
本文将分析扫描探针显微镜行业的市场发展现状。
一、市场概述扫描探针显微镜是一种用于研究物质表面形貌及其物理性质的超高分辨率仪器。
目前市场上主要有STM（扫描隧道显微镜）、AFM（扫描探针显微镜）、TEM（透射电子显微镜）和SEM（扫描电子显微镜）等几种类型的扫描探针显微镜。
市场需求方面，扫描探针显微镜可以广泛应用于材料科学、纳米技术、生物科学、电子工程、化学等领域。
自20世纪80年代中期以来，扫描探针显微镜技术发展迅速，市场需求不断增加。
二、市场现状扫描探针显微镜行业市场规模较大，且增长较快。
2020年，全球扫描探针显微镜市场规模约为37亿元人民币，预计到2025年将达到50亿元人民币，年复合增长率约为6%。
在市场竞争方面，国际上大型企业主要集中在欧美地区，如美国的Bruker、维修和日本的俄罗斯等。
国内的主要企业有天津科研仪器厂、上海纳分仪器等。
在应用领域方面，扫描探针显微镜的应用范围越来越广泛。
材料科学、纳米技术和生物科学领域的需求是最主要的，占据市场的主导地位。
三、市场前景扫描探针显微镜作为一项关键技术，其前景非常广阔。
未来随着科技的发展，要求成像分辨率越来越高，同时也要求成像速度越来越快。
扫描探针显微镜技术将会不断地改进和升级，使其在更广泛的领域得到应用。
未来市场需求将从传统的材料科学、纳米技术、生物科学等领域向新兴领域拓展，如能源领域、电子信息领域、医疗健康领域等。
同时，随着科技水平的不断提高，新型扫描探针显微镜设备的研发和生产成本也将不断降低，为技术的进一步普及提供了更大的空间。
总之，扫描探针显微镜技术在未来将有着广泛的市场前景和应用前景。
对于相关企业来说，要把握技术发展趋势，不断改进和优化技术，以满足市场需求，实现长期的发展。
微细结构测量技术在生物学中的应用
微细结构测量技术在生物学中的应用在生物学领域中，微细结构测量技术是一个非常重要的研究分支，它能够帮助科学家们更好地理解微观世界中的生物结构和生物过程，从而推动生物学研究的发展。
本文将介绍微细结构测量技术在生物学中的应用，包括光学显微镜、电子显微镜和扫描探针显微镜等技术的应用和发展。
一、光学显微镜在生物学中的应用光学显微镜是一种常见的生物学工具，它可以用于观察细胞、细胞器、组织和器官等微小结构。
光学显微镜有传统的亮场显微镜、荧光显微镜和共焦显微镜等种类，每种显微镜都有其特定的应用领域。
亮场显微镜是最常见的显微镜类型，它可以通过透射光来观察样本。
亮场显微镜可以用于观察细胞和组织的形态结构，也可以用于观察某些生物反应和分子运动。
荧光显微镜可以用于观察荧光标记的细胞和分子。
荧光显微镜可以通过激发样本中的某些分子来产生荧光信号，从而使这些分子在显微镜下成像。
荧光显微镜可用于研究细胞的形态结构、分子的分布与相互作用等生物学问题。
共焦显微镜可以通过扫描激光束来获得高分辨率的三维图像。
由于共焦显微镜具有高空间分辨率和高信号噪声比，因此可以用于研究细胞内的结构和过程，如细胞分裂、细胞运动、细胞内物质运输等。
二、电子显微镜在生物学中的应用电子显微镜是一种高分辨率显微镜，它使用的是电子束而非光线。
对于生物物质这种复杂的有机化学结构，电子显微镜比光学显微镜更能提供高清晰度的图像，这使得它成为非常有用的生物学工具。
透射电子显微镜（TEM）是电子显微镜中最常见的类型。
TEM 可以在高分辨率下获得生物分子的真实形态，如蛋白质、核酸和细胞器。
由于生物物质的电子密度通常比周围的环境低很多，因此需要进行样本处理，如薄切片和冷冻处理，才能获得高质量的图像。
扫描电子显微镜（SEM）可以用于观察更大的生物结构，如细胞、组织和器官。
SEM可以通过扫描电子束来获取样品表面的图像。
由于SEM的分辨率比光学显微镜要高得多，因此可以用于观察非常微小的生物结构。
电子显微镜技术在生物研究中的应用
电子显微镜技术在生物研究中的应用随着科技的不断发展，电子显微镜技术也越来越普及，并在生物研究中发挥了重要的作用。
本文将从生物研究的角度，阐述电子显微镜技术的应用。
一、扫描电子显微镜（SEM）在生物样本观察中的应用扫描电镜称为SEM，它的工作原理是利用电子束照射样品表面，产生大量的散射电子和反冲电子，从而形成图像。
在生物研究中，SEM可以应用于非常广泛的领域。
比如，通过使用SEM，可以观察到单细胞和细胞外物质的形态和结构，并研究它们之间相互作用的过程。
此外，SEM还能够用于研究细胞分裂的过程，如线粒体的分裂，以及细胞的遗传物质-染色体的形态和结构等。
二、透射电子显微镜（TEM）在生物物质结构分析中的重要性透射电子显微镜（TEM）是通过电子束穿透物质，得到物质的结构和成份信息的一种高分辨率显微镜。
在生物物质结构分析中，TEM具有特别的重要性。
通过使用TEM，可以看到无数生命的神秘和奥秘。
而且，TEM的分辨率非常高，它可以看到非常微小的生物结构，如细胞核、线粒体、溶酶体、高尔基体等，这些都是扫描电子显微镜无法观察到的。
另外，在TEM的帮助下，研究人员还可以对细胞和生物大分子作进一步的分析，比如，监测细胞的膜蛋白通过细胞膜进入细胞内部的过程，对细胞器的运动和形态进行研究等。
三、冷冻电镜：解决了生物小分子结构分析难题生物小分子结构分析一直是生物学研究的重点。
然而，由于生物小分子往往是一些非常复杂的结构，因此其分析难度也非常大。
特别是在水中具有强烈吸附性的蛋白质聚集和衍射性失真，一直以来都是解决問題的避免之道。
然而，现代的电子显微镜技术已经开始帮助人们更好地研究该领域。
通过使用冷冻电镜显微技术（cryo-EM），研究人员可以直接将复杂的生物分子（如DNA和蛋白质）制备成冰状物，并进行更高分辨率的结构分析。
其中，选择富含结构多样性的蛋白质总体已经被证明可以为解决问题饱多开辟途径。
四、扫描探针显微镜（SPM）的生物应用非常广泛扫描探针显微镜（SPM）是一种基于物体表面反映的扫描显微镜。
扫描探针显微镜在初中研究性学习中的应用
能将 所观 察 到的原 子或 分 子 形 成 三维 图像 ， 时 实
反应 微观 物质 的真 实形貌 与结 构 。扫描探 针显 微
镜是 研究 纳米 科技 的重 要 仪 器 ， 因此将 其 引 入 中 学物 理教 学有 助于 学生更 好地 理解 与体会 纳米 科 技 的知识 与 研究 方 法 。为 此 ， 们 对北 京 一 所 中 我
层 的势 垒高 于针 尖 与样 品 间隙 的 势 垒 ， 会 导 致 将
在 针尖 和样 品间 产 生 隧道 电流 之 前 ， 二者 就 发 生 接触 ， 即撞针 。 本实 验 中采用 扫描 隧道显 微镜 常用 的铂铱 合 金铂 材料 。铂 虽软 ， 但不 易被 氧化 ， 在铂 中加入 少 量 铱形成 的铂 铱 合 金丝 ， 除保 留 了不 易被 氧 化 的 特性 外 ， 刚性 也得 到 了增 强 。为 了得 到锐 利 的 其
尖 扫描 出 的图像 。
扫描 隧道 显微 镜是 利用 量子力 学 中的隧 道效
应 设计 的。 当通 过 针尖接 近物 体表 面原子 时会 产 生隧穿 电流 ， 过 隧 穿 电 流 的变 化 反 映 固体 表 面 通 的形 貌变 化 ， 而得 到物 体 表 面 的 图像 。 由于 用 从 扫描 隧道 显微镜 获 得石 墨表 面原子 图像 的实验 较
学 中初一 年级 的部 分学 生开展 了为 期一周 的主题 为“ 纳米科 技 与扫描 探针 显微 镜 ” 的研 修 活动 。
１ 扫 描 隧 道 显 微 镜 在 教 学 中 的 应 用
针 尖 ， 实验 中我 们 对 铂 铱合 金 丝 用 机械 剪 切 的 在
方 法成 型 ， 图 １ 见 。图 ２ ａ为学 生 用 扫描 隧道 显 微 镜 获得 的石 墨表 面 原 子 图像 。图 ２ ｂ为剪 针 不 够
原子力显微镜的工作原理和应用
原子力显微镜的工作原理和应用原子力显微镜被广泛应用于材料科学和纳米技术领域，可以帮助人们观察和研究几乎任何表面的形状和特性。
本文将介绍原子力显微镜的工作原理以及其在生物学和材料科学领域的应用。
一、原子力显微镜的工作原理原子力显微镜是一种扫描探针显微镜，它利用一根尖端非常尖锐的针通过控制力的作用来扫描样品表面。
与其他扫描探针显微镜不同的是，原子力显微镜扫描的距离只有几纳米至十纳米这么长，因此可以产生高度的细节及形状。
在原子力显微镜中，扫描针与样品表面之间设置有一个极其细微的探针尖端和样品表面上的原子表面，当二者相互接触时，扫描针会受到其中的原子引力或斥力的影响，这种影响被测量并转换为图像的亮度和颜色。
二、原子力显微镜在材料科学中的应用原子力显微镜在材料科学中的应用广泛，可以帮助科学家更好地了解材料的结构和特性，进而设计出更好的材料。
1.材料表面形貌观察原子力显微镜可以观察到几乎所有物质的表面形貌，而不需要特殊准备样品过程。
这对于研究材料表面的形貌和结构非常重要，可以提供关于材料性质、制备方法等的重要信息。
2.纳米材料研究纳米材料在材料科学中具有重要的地位，因为它们具有独特的物理和化学性质。
用原子力显微镜可以观察和研究纳米颗粒、纳米线、纳米棒等纳米材料，能够得出纳米结构的大小、形状和分布等的相关参数。
三、原子力显微镜在生物学中的应用除了在材料科学中的应用，原子力显微镜还被广泛应用于生物学领域，因为它可以观察活细胞以及细胞内的分子。
1.大分子结构解析原子力显微镜可以在几乎液态气十亿个分子级别上进行研究，这使得研究生物分子等复杂大分子的结构成为可能，并且能够帮助人们理解这些大分子的功能。
2.生物分子相互作用研究通过在纳米级别上观察蛋白质、DNA或RNA及其他生物大分子表面的相互作用，原子力显微镜可以揭示这些分子是如何相互作用和合作的。
总之，原子力显微镜是一个强大的工具，可以帮助科学家更好地了解材料和生物体系的结构和功能，为人们开发新材料和药物提供了有力的支持。
原子力显微镜的工作原理及应用
原子力显微镜的工作原理及应用原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）是一种扫描探针显微镜，主要通过测量探针与被测物质表面之间的相互作用力来实现对原子和分子级别的表面形貌和物理特性的表征和观测。
它以高分辨率、高灵敏度、高可重复性等优点，在材料科学、生物学、化学等领域得到极为广泛的应用。
1、工作原理原子力显微镜的探针是由尖锐锥形针尖制成，针尖的下端通常只有几个纳米的尺寸。
扫描时，针尖以缓慢的速度（通常为几纳米/秒）在被测样品表面上扫描，此时接收器将记录扫描得到的信号。
通过处理接收器记录下的信号，可以获得样品表面的横截面拓扑图，以及其在物理参数（例如硬度、电荷密度）方面的评价。
该显微镜的探针又是由悬挂在弹簧上的支撑杆和针尖组成的。
在扫描过程中，支撑杆按一定的频率震动，这种震动被称为谐振频率。
在接近被测样品表面时，原子力开始影响到探针的谐振频率，导致探针振动的振幅发生变化。
相应的，成像时通过记录探针振幅的变化程度，可以获得针尖与样品之间的交互力信号，并绘制样品表面的拓扑图。
2、应用原子力显微镜是一种非常强大的工具，可以被应用于很多领域。
以下是一些常用的应用：（1）材料科学原子力显微镜可以被用于材料表面的研究。
例如，它可以测量表面的粘度和硬度，帮助优化涂层、摩擦材料和润滑剂等产品的性能。
此外，它还可以被用于纳米材料的制备和探究，例如研究分子自组装、生物分子组装等过程。
（2）生物领域原子力显微镜可以被用于生物分子的研究，例如单分子的检测、纳米颗粒的表面形貌分析、蛋白质空间结构的绘制等。
此外，它还可以用于研究生物分子的交互作用、诊断疾病和制备分子电子学和生物电子学的材料。
（3）化学领域原子力显微镜可以被用于化学品的检测和表征。
它可以帮助测量材料的电荷密度、催化剂的活性和分子间的相互作用效率。
此外，它还可以用于绘制分子形貌和分析反应进程及反应物的表面活性。
总之，原子力显微镜作为一种非常强大的显微镜，具有大量的优点和应用，帮助解决许多学科的问题。
原子成像技术的发展方法及应用
原子成像技术的发展方法及应用随着科技的不断进步，人类对于物质结构的了解越来越深入。
原子成像技术是一种非常重要的技术手段，可以帮助科学家们深入了解物质内部的结构和性质。
本文将从原子成像技术的发展方法和应用方面进行探讨。
一、原子成像技术的发展方法1. 扫描探针显微镜扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy，SPM）是原子成像技术的核心手段之一。
它是一种利用探针来扫描样品表面，通过探针的运动所带来的力信号来获取样品的表面形貌和物理性质的方法。
SPM包括原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）和扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy，STM）等等。
AFM是一种利用力作为信号测量样品表面形貌和物理性质的显微镜。
它的探针端装有细微探针，通过控制探针的高度来扫描样品表面。
同时，探针的弯曲程度也变化了，可以通过细节来找出样品表面上的凸起和凹陷。
AFM有很多优点，如高分辨率、灵敏度高、可控性强等等，因此它被广泛应用于材料科学、生物学、纳米科技等研究领域。
而STM则是一种利用隧穿电流测量样品表面形貌和物理性质的显微镜。
STM的探针端和样品之间存在一个纳米级隙缝，通过控制探针和样品之间的距离，实现了电子的隧穿效应。
因此，STM可以在原子尺度内精确地探测出样品的表面形貌和电子性质。
STM是第一种能够在单个原子层上成像的技术，其分辨率可以达到0.1纳米级别。
2. 透射电子显微镜透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy，TEM）是另一种常用的原子成像技术。
通过TEM可以获取纳米级别的原子层面结构，对物质进行高分辨率成像。
TEM能够精确地弥补AFM 在三维成像上的不足，利用高压加速器产生能量较高的高速电子穿过样品后，通过显微镜将穿过样品的电子进行成像。
TEM有很多优点，如分辨率高、成像速度快、样品多样性高等等。
显微镜技术在材料科学中的应用与发展
显微镜技术在材料科学中的应用与发展在当今科技飞速发展的时代中，显微镜技术已经成为了材料科学研究中不可或缺的工具。
从最开始发明光学显微镜以来，显微镜技术已经经历了多次的革新与升级，现在已不仅仅是一个简单的放大看显微物体的工具，而是通过各种新技术与创新，成为了材料科学研究的重要支撑。
一、显微镜技术的类型在讨论显微镜技术在材料科学中的应用与发展之前，我们首先需要了解显微镜技术的类型。
目前，显微镜技术主要分为三类：光学显微镜、电子显微镜和扫描探针显微镜。
其中，光学显微镜是最为常用的显微镜类型，它利用光线的衍射原理，将样品放置于物镜与目镜之间，通过透过光来观察显微物体。
电子显微镜则是借助电子束技术，将电子束照射到样品上进行观察。
而扫描探针显微镜则是通过扫描探针的方式来观察样品，从而获得高分辨率的图像。
二、光学显微镜在材料科学中的应用在材料科学中，光学显微镜是最为广泛应用的显微镜类型。
它可用于快速检测样品的表面结构、组织细胞、金相组织、微观结构等参数，并且具有高效、低成本等特点。
因此，它广泛应用在材料科学中的材料分析、质量检测、产品优化等多个领域。
在材料分析领域中，光学显微镜可用于对样品的成分、化学组成、痕量元素等进行分析。
例如，它可用于分析钢铁材料的组织类型，确定其含碳量、含硫量、组分成分等参数。
它还可用于分析纤维材料的细度、长度、断点强度、比表面积等参数。
在质量检测领域，光学显微镜可用于对各类产品进行快速观察、检查和质量评价。
例如，它可用于检测电路板、集成电路芯片、焊接点等的质量与缺陷，为材料制造企业提供重要的发现与改进机会。
在产品优化领域，光学显微镜可用于优化材料的组织构成与性能，包括提高材料的硬度、韧性，改变其热性能等。
在这个领域中，光学显微镜通常与其他显微镜技术如红外显微镜等同时应用，以获得更完整详细的数据。
三、电子显微镜在材料科学中的应用电子显微镜是目前对于材料构成和结构分析非常重要的显微镜技术。
扫描探针显微镜在材料表征的应用
第 ２期
曲
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学 学 报
Ｕｎｖ ｒ ｉ ｉｅ ｓｔ ｙ
Ｖ０ ． ６ Ｎｏ ２ １３ ． Ａｐ ． ２ ０ ｒ ０１
２１ ０ ０年 ４ 月
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扫 描 探 针 显 微Байду номын сангаас镜 在 材 料 表 征 的 应 用
以纳 米 材 料 为 主要 研 究 对象 ， 示 了这 几 种 技 术 在 表 征 纳 米 材 料 的结 构 和性 能 方 面 的应 用 ． 展
关 键词 ： 材料表征 ； Ｐ ＳＭ； Ｆ Ｎ Ｓ ＳＭ； Ｔ Ａ Ｍ； Ｏ Ｍ
中图分 类号 ：４４ １ ０ ３．４
文献标 识码 ： Ａ
文章 编号 ： ０－ ３ （００ ０－ ８－ １ １ ３７２ １）２０ ０ ５ ０ ５ ０ ０ 测量 表 面原 子结构 和 电子 结构 ． Ｐ 是 一 系列 基 于 ＳＭ
ｃｐ ｏｙ，Ｓ Ｍ） ２ Ｐ 是 ０世 纪 ８ ０年 代 发 展 起 来 的一 种新
微观 粒子 具有 波粒 二象性 的一 个重要 结 果就是 隧道 效应 ， 扫描 隧道 显微 镜 就 是 在 此基 础 上 发 展起
来 的． 自从 １８ ９ ２年 ＢｎｉｇＧ和 Ｒ ｈｅ 发 明 了扫 ｉｎｎ ｏｒｒ Ｈ 描 隧道显 微镜 以来 ， 扫描 隧道 显 微镜 在 材 料 的微 观
标 志着 对物 质表 面在显 微量 级上 成像 和分 析 的一个 新 技 术领域 的诞 生 ， 在 工 业 和科 技 方 面 有显 著 的 并 应用 ｊ本文 以纳 米 材 料 为 主 要 研 究 对 象 ， 述 了 ． 综 这 几 种扫描 探针 显 微 表征 技 术 ， 示 了这 几种 技 术 展 在纳 米材料 的结 构 和性能 方面 的应 用．
扫描探针显微镜技术及其应用
0.1nm
纵向分辨率 可达
0.01nm
HM：高分辨光学显微镜；PCM：相反差显微镜； (S)TEM：（扫描）透射电子显微镜；
FIM：场离子显微镜；REM：反射电子显微镜 第14页，本讲稿共34页
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描
探
针
应 用
显 微 镜
的
特
点
与
2、可实时地得到实空间中表面的三维图像，可用于具有周 期性或不具备周期性的表面结构研究。
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。
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探
与 应 用
针 显 微 镜
的
特
点
扫描探针显微镜的其他应用
&通过显微镜探针可以操纵和移动单个原子或分子
应用：适用于研究生物样品和在不同试验条件下对样 品表面的评价，例如对于多相催化机理、超导机制、电化 学反应过程中电极表面变化的监测等。
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探
针
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显 微 镜
的
特
点
与
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。
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。
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扫描探针显微镜的应用
根据扫描探针显微镜的种类及特性,可以了解到它的应用范围十分广泛。
可以研究材料表而的硬度、摩擦力、粘滞力、弹性等力学性能;研究原子与分子形貌,材料表面的形貌、粗糙度以及各种缺陷;可以测量材料的电、磁特性以及热传导性特性;可应用在生命科学方面,还可以进行纳米测量、纳米刻蚀与加工。
1：在有机薄膜材料方面的应用
扫描随道显微镜与原子力显微镜都可以对样品的形貌进行表征,可以观察到有机薄膜分子的排列情况,但是扫描隧道显微镜需要样品制备在导电越底匕而有机薄膜自身并不导电,当薄膜比较厚时,会阻碍系统对隧道电流的探测。
对于原子力显微镜则不存在这一限制,有机薄膜可以制备在比较平的云母或硅片上,而且同样可以获得较高分辨率的图像,图1中所示的是在银基底上制备的苝四甲酸二酐单分子膜的原子力形貌图,扫描时工作在非接触区域,采用的是调频模式,图像分辨率达到了分子级别。
从分子尺寸的AFM形貌图上我们可以很清楚的观测到分子间距,依此判断出有机薄膜的致密性。
在大范围(微米量级)从整体上观察薄膜均匀性时,原子力显微镜也比较方便。
图1 苝四甲酸二酐单分子膜的原子力形貌图,扫描范围30nmX30nm 由于有机薄膜的质地比较软,因此在用接触模式扫描时,会因侧向力过大对薄膜造成划伤,因此常常采用轻敲模式进行扫描。
但是我们常常需要通过接触模式
下的力曲线测试,对有机薄膜自身的一些力学特性先有一定的了解,比如弹性、粘滞力等,因为这些有机薄膜自身固有的特性也会影响到扫描成像,之后在通过扫描过程中合理化相应的参数,获得高质量的图像。
2：DPN 纳米加工技术
Mirkin小组发明了一种成为“dip-pen”的纳米加工技术(图2),AFM针尖被当作“笔”,硫醇分子被当作“墨水”,而基底被当作“纸”,吸附在针尖上的硫醇分子借助于针尖和基底之间的水层被转移到基底上的特定区域。
然而,这种DPN存在一个明显的缺点就是只能把有机分子“写”在基底上,而且保持所生成结构的长期稳定性是一个重要问题。
图 2 DPN 操作示意图(A)和 DPN 所形成的 ODT 阵列的侧向力图(B)
后来,Li等发明了电化学AFM“dip-pen”的纳米加工技术(简称为E-DPN),针尖与基底间的水层被作为溶有金属盐的电化学池,通过加以一定大小的直流电压让金属盐在该电化学池中被还原,随后还原产物沉积到基底上(图3),和前者比较优越性在于:一方面提高了结构的热稳定性和多样性;另一方面是能够以更高的位置及形状可控性加工金属、半导体纳米结构。
Benjamin等把表面诱导的金属离子还原与DPN结合起来,在无外加电压的情况下,把用作“墨水”的AuCl-4直接还原在基底上。
Albena等第一次实现了半导体表面的DPN技术,从而表明了
DPN还能够直接用于Si SiOx和GaAs等半导体表面的有机结构的纳米加工。
DPN 还能与化学刻蚀相结合实现对硅的加工。
Hong等报道了有8支“毛”的可并行“书写”的DPN,并且得出结论:在不添加额外的反馈系统的情况下还可用更多的“笔”进行“书写”,这就使得大规模的纳米加工成为可能。
Wilson等用胶原质做“墨水”,在保持胶原质分子的结构和功能的情况下实现了生物分子的DPN加工,Lee等通过DPN实现了蛋白质的纳米阵列,从而使DPN能应用于生物领域。
Amro等综合了nanografting和DPN二者的优点发明了纳米笔读写仪(DPRW),其原理是:在AFM针尖上预先吸附一种硫醇分子,通过施加较大的成像力移走在Au 基底上另一种硫醇分子的SAMs的特定区域,与此同时,针尖上的硫醇分子吸附在此位置上从而实现读写。
图3 E-DPN 操作示意图
3：导电聚合物的纳米加工
随着 SPM和纳米技术的发展, SPM 的探针可以用来在基底表面上诱导导电
聚合物的聚合或用导电聚合物对基底表面进行修饰。
STM辅助的导电聚合物电聚合过程是通过 STM 的针尖为在所选择的表面区域进行局部电聚合提供所需的驱动力。
例如,Penner等通过在STM的针尖和样品之间施加偏压脉冲而将苯胺以纳米尺寸电聚合到了石墨表面上,得到了聚苯胺的纳米粒子。
AFM辅助的局部电聚合和表面修饰是由扫描着的或共振的AFM探针提供的水平刮擦力和垂直敲击力作为驱动力,从而使导电聚合物单体在基底上进行局部选择性电聚合或用导电聚合物在基底上进行纳米图案化修饰。
例如,Maynor等用AFM的针尖作为“纳米笔”(Dip-Pen Nanolithography)通过在针尖和基底表面间施加负的偏压,用“纳米笔”在半导体和绝缘体表面上直接“书写”聚噻吩纳米线。
此外,Cai等通过AFM 探针和样品的相互作用,在HOPG基底上局部地电聚合吡咯和苯胺,从而在HOPG 基底上所选择的表面区域上通过局部电聚合的方法加工出纳米级的线条(lines)、方形平台(square platforms)和窟窿(hollows)。
AFM还可以用来对导电聚合物分子链进行搬运和切割。
Ito等最初用STM在低温下(低于275 K)观察到了HOPG基底上聚苯胺和β-环糊精形成的棒状包络物(Inc lusion Com plex)的绝缘分子导线,后来又用AFM在室温下观察到了云母基底上聚苯胺和由α-环糊精合成的分子纳米管之间形成的棒状包络物绝缘分子导线。
同时他们在接触模式(ContactM ode)下用AFM的探针对后一种绝缘分子导线进行操作加工,以较小的加载力对其进行搬动,在较大的加载力下将其截断,从而实现了用AFM对导电聚合物分子的搬运和切割。
扫描电化学显微镜(SECM)辅助的导电聚合物单体在基底上的聚合以及对基底的修饰是通过SECM的电极提供驱动力进行聚合和修饰,它也可以用于在基底上构造导电聚合物的微观结构。