材料分析技术 3.2表面分析
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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。
16
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)
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。 21
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。
4
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
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。
5
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
Diameter-Dependent Growth Direction of Epitaxial
Silicon Nanowires[5]
7
扫描探针显微镜的发明
1982年
Scanning tunneling microscopy
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。
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。
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。
15
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。
现代材料分析技术
1
第三章 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
2
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的发展 • SPM主要应用
3
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
X射线光电子 能谱
场电子显微镜 和
场离子显微镜
样品具有周期来自百度文库结构
薄层样品的体相和界面研究，表面？
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
6
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]
Dendrimer-like Gold Nanoparticle[3]
DNA Translocation in Inorganic Nanotubes[4]
扫描力显微镜（SFM）
扫描探针显微镜 （SPM）
10
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
11
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。
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
小
17
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
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。
12
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。
13
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
8
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 9
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）
18
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
19
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。
20
隧道效应的透射系数
T
16E（V0
E） e
2a
2m(V0 E)
V0
V02
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
14
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。
应用：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。
应用：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。
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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)
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。 21
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。
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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
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。
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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
Diameter-Dependent Growth Direction of Epitaxial
Silicon Nanowires[5]
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扫描探针显微镜的发明
1982年
Scanning tunneling microscopy
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。
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。
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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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。
现代材料分析技术
1
第三章 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
2
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的发展 • SPM主要应用
3
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
X射线光电子 能谱
场电子显微镜 和
场离子显微镜
样品具有周期来自百度文库结构
薄层样品的体相和界面研究，表面？
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
6
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]
Dendrimer-like Gold Nanoparticle[3]
DNA Translocation in Inorganic Nanotubes[4]
扫描力显微镜（SFM）
扫描探针显微镜 （SPM）
10
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
11
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。
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
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
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。
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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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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
8
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 9
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）
18
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
19
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。
20
隧道效应的透射系数
T
16E（V0
E） e
2a
2m(V0 E)
V0
V02
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
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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。
应用：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。
应用：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。