扫描探针显微镜在材料科学中的应用

大庆师范学院本科生毕业论文扫描探针显微镜在材料科学中的应用院（系）物理与电气信息工程学院专业物理学研究方向学生姓名学号指导教师姓名指导教师职称年月日摘要本文介绍了扫描探针显微镜的历史，目前国际上各种系列的扫描探针显微镜基本原理、主要特点、研究现状和最新应用情况，重点介绍了扫描探针显微镜在材料科学中的应用。

关键词：扫描探针显微镜；扫描隧道显微镜；原子力显微镜AbstractThis paper introduces the history of scanning probe microscope, the present various series of scanning probe microscope basic principles, main characteristics, research status and the latest application situation, introduced with emphasis the scanning probe microscope and its application in material science.Keywords: Scanning probe microscope; Scanning tunneling microscope; Atomic force microscopy目录第一章SPM镜概述 (1)1.1SPM发展背景 (1)1.2SPM的种类 (1)第二章SPM的原理及特点 (3)2.1STM的原理及应用 (3)2.1.1 STM基本原理 (3)2.1.2 STM在材料科学中的应用 (4)2.1.2.1扫描 (4)2.1.2.2探伤及修补 (5)2.1.2.3引发化学反应 (5)2.1.2.4移动和刻写样品 (5)2.2AFM的原理及应用 (6)2.2.1 AFM基本原理 (6)2.2.2 AFM在材料科学中的应用 (7)2.2.2.1表面形貌的观测 (7)2.2.2.2粉体材料的分析 (8)2.2.2.3纳米材料的分析 (8)2.2.2.4成分分析 (8)2.3SPM的特点 (9)2.3.1 SPM优点及应用 (9)2.3.2 SPM存在的问题 (10)2.3.3 SPM的应用前景 (10)第三章结语 (11)参考文献 (12)第一章SPM镜概述1.1 SPM发展背景20世纪80年代初，世界上第一台物体表面分析的仪器——扫描隧道显微镜诞生了，它的英文缩写为“ST M”。

它是由美国国际商用机器公司（IBM）的罗雷尔（Rohrer）和宾尼（Binning）研制出来的，由于宾尼和罗雷尔的杰出表现，1986年联合国把诺贝尔物理学奖颁发给了宾尼和罗雷尔以表彰他们的杰出贡献。

从前观察物体的表面是很困难的，但是自从扫描隧道显微镜问世以后，人类在研究与物质表面的电子行为有关的化学、物理及单个原子在物质表面的结构状态排列提供了可能，扫描隧道显微镜的出现被科技界公认为80年代最伟大的科学成就之一。

在这以后，扫描隧道显微镜及其相关的一些仪器逐渐成为人们研究的对象，并且诞生了各种各样在外形和工作原理上及性能上与及扫描隧道显微镜差不多的显微仪器，这些仪器的诞生弥补了扫描隧道显微镜的不足，可以获得各种信息。

扫描隧道显微镜及其衍生出的各种显微镜统一称为扫描探针显微镜（SPM）。

SPM共同的特点是：显微镜的探针要在物体的表面进行扫描，通过扫描来获取物体表面的一些数据。

SPM不同点是：显微镜的探针与物体表面的相互作用存在差异使得其性质也不一样。

扫描探针显微镜的发明，为人类研究与认识了原子和分子世界提供了有力的工具，在工业、农业及科学技术的个个行业产生了深刻的影响，特别是在化学、物理学、生物学及材料科学、微电子学等领域定将产生有着重大意义和美好的前景。

1.2 SPM的种类SPM的庞大家族到目前为止大约有近30个成员。

由于其技术还在不断的发展成熟之中，所以其成员定会不断的增加。

按照其工作原理可以分为：与力有关的显微镜-扫描力显微镜、与隧道效应有关的显微镜-扫描隧道显微镜、与热有关的显微镜-扫描热显微镜和与离子有关的显微镜-扫描离子电导显微镜等。

其中量子隧道效应是各种和扫描隧道显微镜相似的显微镜工作的基本原理之一。

由于STM是SPM庞大家族成员中的第一位成员，可以称为老大哥，所以STM是和隧道效应有关的各种显微镜的代表。

其中STM的成员还可以分为扫描噪声显微镜（SNM）、扫描隧道电位仪显微镜（STP）、弹道电子发射显微镜（BEEM）和光子扫描隧道显微镜（PSTM）等等。

而STM中的扫描力显微镜（SFM）成像是通过检测探针与样品之间的相互作用力而形成信号形成的。

1986年宾尼发明了原子力显微镜（AFM），它的应用十分广泛，与其同样火的还有：磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜（EFM）、摩擦力显微镜（LFM）、化学力显微镜（CFM）等。

他们的与应用与原子力显微镜（AFM）的应用并驾齐驱，共同为人类社会造福。

第二章 SPM 的原理及特点图2-1所示为SPM 原理简图。

其中测试样表面位于图中的下部，上下凹凸不平的部分就是被测试样表面，颜色比较深，很容易可以看出来。

显微镜的探针一般在水平和垂直的方向上运动进行扫描，我们知道，物质是由原子构成的，所以被测试样表面在显微镜的观察下是像图中那样凹凸不平的，当我们在进行扫描时，由于被测的试样面凹凸不平，在垂直样品表面的方向上会有变化，这个变化的差值为Z ∆。

而Z ∆的变化在显微镜中又导致了探针与被测试样表面的电流、力、热、电容及光的变化，之所以说SPM 是一个大家族，就是在检测这些变化量的时候根据他们的不同而产生的。

SPM 的探针在扫描时，在垂直被测试样表面的方向上进行扫描可达到m μ4的变化量，而在沿着试样表面的水平方向上进行扫描可达m μ100的变化量。

SPM 的探针制作材料多种多样，但我们最常见的还数是材料Ni 和材料Si 。

图2-1 SPM 原理简图2.1 STM 的原理及应用2.1.1 STM 基本原理图2-2所示为STM 原理简图。

在这个图中的下面两层圆圈中黑色圆圈表示原子，位于黑色圆圈中间的深色的部分代表原子核，原子核的周围颜色比较浅的那部分分黑色圆点代表电子云。

图中上面6个原子是显微镜探针的针尖，下面两层原子是被测物体的试样面。

量子隧道效应是各种和扫描隧道显微镜相似的显微镜工作的基本原理。

我们知道，原则上在进行扫描时，探针与试样表面之间要存在一定的距离，当这个距离在0.4nm 这个范围内时，我们要在试样表面与探针针尖之间施加一个电压，由于这个电压的影响，会在他们之间产生隧道效应，正是这个隧道效应使探针针尖与试样表面之间有电子流动，电子的流动则在它们之间产生了隧道电流。

隧道电流就是这样产生的。

在STM中我们还要施加一个偏置电压，当其电压在不变的时候，随着试样面与探针间的距离的不断减小，隧道电流能增大1-2个数量级，在试样面与探针间的距离不断变化的过程中，会在试样面与探针间形成相互作用，试样面与探针间的距离减小时，相互作用增强。

由于隧道电流与试样面和探针间的距离存在指数上的关系，所以，电子的不规则排列导致了隧道电流的变化异常剧烈。

图2-2 STM原理简图设试样面和针尖间为X，那么它和隧道电流之间有什么样的关系呢？,Jr.Cowan 和A.John通过量子力学的知识推导给了我们答案，它的公式为：ψAx+=(B)exp(ikx)exp(-ikx)目前STM在垂直试样表面的方向上的纵向分辨率可达0.01nm数量级，在沿着试样表面方向的横向分辨率可达到0.1nm数量级，而此时隧道电流为1nA数量级。

到目前为止STM的应用并非没有受到限制，主要是来自隧道效应的影响，因此我们只能用半导体和导体制做而成的试样面来进行观察。

2.1.2 STM在材料科学中的应用2.1.2.1扫描在STM工作的时候，在显微镜的扫描探针与被测的物体的表面产生一定高度的空间限制的电子束，因此在STM扫描完在显示屏上成像时，由于STM的空间分辩率特别高，我们会看到清晰的像，可以进行精确的科学观测与测量。

2.1.2.2探伤及修补STM对物体表面不仅可以进行加工处理，而且在此过程中还可实时对物体的表面形貌进行成像分析，因此，到目前为止，我们常用STM技术来发现物体表面各种结构上的缺陷和损伤，对于缺陷和损伤我们也常用表面刻蚀和淀积的方法用以切断或建立与被测样品之间的连线，用此方法来消除物体表面的缺陷，达到修补物体的目的，不仅如此，目前还可用STM的成像技术来检查物体表面修补结果的好与坏也是可行的。

2.1.2.3引发化学反应当STM处在场发射模式时，且被测样品与扫描探针针尖接触比较近时，如果我们用10V左右的电压就可以在扫描探针针尖与被测试样表面之间产生很高的电场，电子将在电压的作用下穿过针尖势垒射向扫描探针针尖与被测试样表面之间的空间。

电子在空间的运动距离很小是由于电子的能量和束流作用，因此导致电子还没有发散，束径就很小了，我们一直以为束径的范围很大，其实不然，它的范围在毫微米之间，正因如此试样表面的物质的分子化学键断裂也可能在毫微米尺度上。

2.1.2.4移动和刻写样品STM的工作电流我们可以控制，如果在恒定电流状态下时，此时我们突然在被测试样表面与扫描探针针尖之间的偏置电压上加一脉冲或者是缩短被测试样表面与扫描探针针尖之间的距离，则会在探针针尖下面的被测试样表面的微区中出现毫微米级别的变化，例如产生突起的丘或者凹下的坑等结构。

一般情况下探针针尖在刻写操作完成以后，探针针尖如果并没有损坏，仍可以用，则我们可以用此探针针尖对物体表面的原子所成的像来进行检验，通过此种方法可以检测出被测试样表面的好坏程度。

有两种方法我们可以移动针尖对被测试样表面进行刻写：一种为当反馈电路处于正常工作的状态时，我们为了达到控制扫描探针针尖移动的目的，可以通过调节偏置电压的大小或者调节参考电流的大小来调节被测试样表面与扫描探针针尖间的电阻。

若当我们减小被测试样表面与扫描探针针尖间的偏压或者增大被测试样表面与扫描探针针尖之间的参考电流时，反馈电路将使扫描探针针尖移向被测试样表面而使他们之间的电阻变小。

另外一种为当STM处于隧道状态时，我们也有两种方法来对样品进行刻写，第一种方式是把反馈线路的输出信号固定并且去关闭反馈则可达到目的，第二种方法使改变压电陶瓷上所加的电压大小，通过这种方法就改变了被测试样表面与扫描探针针尖之间的距离，对第一种方法与第二种方法进行比较我们可以发现，第二种方法能够较第一种方法更优秀，因为它能线性地控制隧道结宽度的变化，对与所有方法来说这种方法还算是较为理想的办法。

与此同时我们对样品进行刻写的结果还与扫描探针针尖的清洁程度有着密不可分的联系。