扫描探针显微镜-SPM

扫描探针显微镜的特点
1. 分辨率高
横向分辨率可达
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
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扫描探针显微镜的特点
2、可实时地空得到实时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。
可用于表面扩散等动态过程的研究。
3、可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整 个表面的平均性质。
可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置， 以及由吸附体引起的表面重构等。
4、可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样 品浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术，并且探测过 程对样品无损伤。
小
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扫描探针显微镜
扫描探针显微镜（SPM）背景历史 SPM特点 扫描隧道显微镜（STM） 原子力显微镜 SPM的发展 SPM主要应用
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扫描隧道显微镜
STM基本原理 STM仪器的基本构成 STM工作模式 STM主要应用
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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。
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隧道效应的透射系数
6
为表彰STM（1982）的发明者们对科学研究的 杰出贡献，宾尼和罗雷尔与电子显微镜 （1931-1933）发明人鲁斯卡分享了1986年诺 贝尔物理学奖。
G.Binning
H.Rohrer 7
扫描探针显微镜的发展
扫描隧道显微镜（STM）
原子力显微镜 （AFM） 扫描近场光学显微境（SNOM） 弹道电子发射显微镜（BEEM）
针尖 空气 导电样品
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针尖和样品间的隧道电流
隧道电流是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。
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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扫描探针显微镜的特点
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。
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。
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
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纳米科技的需要
Biomolecular Recognition on Vertically Aligned Carbon Nanofibers[1]
ε-Co nanocrystals coated by a monolayer of poly(acrylic acid)-block-polystyrene [2]
场离 子显 微镜
电子 探针
低能 电子 衍射
光电 子能
谱
扫描 电子 显微
镜
利用成像气体原子在带正高压的针尖样品的附近被场离子化。荧光屏上显示。
3
局限性
电子衍射和 X射线衍射
高分辨透射电子 显微镜 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
薄层样品的体相和界面研究，表面？
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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
透射电 镜
扫描电 镜
分辨率
原子级(0.1nm)
点分辨 (0.3~0.5nm)
晶格分辨 (0.1~0.2nm)
6~10nm
工作环境 样品环境 实环境、大 气、溶液、
真空
高真空
高真空
温度
对样品 破坏程度
室温或低 温
无
室温
小
室温
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SPM的独特优点与突破
可用来移动和操纵单个原子和分子。 具有原子级高分辨率，分辨率横向0.1nm、纵向 0.01nm。 可实时地得到在实空间中表面的三维图象。 可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至 可将样品浸在水和其它溶液中，不需要特别的制 样技术，且探测过程对样品无损伤。 价格便宜。
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表面分析
电子能谱
– 光电子能谱 – 俄歇电子能谱
扫描探针显微镜
– 扫描隧道显微镜 – 原子力显微镜
1
分辨率
人眼的分辨率为10-4米 光学显微镜分辨率为10-7米 电子显微镜分辨率为10-8 10-10米
2
电子显微镜
Ruska 1931-33年
Knoll
电子显微镜
透射 电子 显微
镜
场电 子显 微镜
1982年
Scanning tunneling microscopy
扫描隧道 显微镜
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
T
16E（V0 V02
E） e
2a
2m(V0 E)
V0
T与势垒宽度a、能量差（V0-E） 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
a
指数衰减，因此在宏观实验中， 图1 量子力学中的隧道效应
很难观察到粒子隧穿势垒的现
象。
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电子隧道结
在两层金属导体之间夹一薄绝缘层，就构成一个 电子的隧道结。当绝缘层的厚度小到一定程度时， 比如1nm，实验发现电子可以通过隧道结，即电 子可以穿过绝缘层，这便是隧道效应。
Dendrimer-like Gold Nanoparticle[3]
DNA Translocation in Inorganic Nanotubes[4]
Diameter-Dependent Growth Direction of Epitaxial Silicon Nanowires[5]
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扫描探针显微镜的发明
扫描力显微镜（SFM）
扫描探针显微镜 （SPM）
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扫描探针显微镜
扫描探针显微镜（SPM）背景历史 SPM特点 扫描隧道显微镜 原子力显微镜 SPM主要应用
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1990年，IBM公司的科学 家展示了一项令世人瞠目结 舌的成果，他们在金属镍表 面用35个惰性气体氙原子 组成“IBM”三个英文字 母。
这是中国科学院化学所的科 技人员利用纳米加工技术在 石墨表面通过搬迁碳原子而 绘制出的世界上最小的中国 地图。