扫描探针显微镜解析

STM－引言 发展历史
1982 年 ， IBM 公 司 苏 黎 世 实 验 室 的 G.Binnig 和 H.Rohrer共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪 器——扫描隧道显微镜STM。它的问世，使人类第一次 能够实时地观察到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，对表面科学、材料科学 、生命科学和微电子技术的研究有着重大的意义和广阔 的应用前景，被科学界公认为是表面科学和表面现象分 析技术的一次革命。为此，他们与电子显微镜的创制者 E.Ruska一起荣获1986年诺贝尔物理奖。
性结构;光学显微镜和SEM的分辨率不足以分辨出表 面原子
高分辨TEM主要用于薄层样品的体相和界面研究 FEM和FIM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，可 用来作为样品的研究对象十分有限； X射线光电子能谱(ELS)等只能提供空间平均的电 子结构信息 上述一些分析技术对测量环境也有特殊要求，例如 真空条件等。
图1 AFM原理图
1 检测系统 悬臂的偏转或振幅改变可以通过多种方法检测
，包括：光反射法、光干涉法、隧道电流法、电 容检测法等。目前AFM系统中常用的是激光反射 检测系统，它具有简便灵敏的特点。激光反射检 测系统由探针、激光发生器和光检测器组成.
2 探针 探针是AFM检测系统的关键部分．它由悬臂和
第一台STM和AFM
扫描隧道显微镜
原子力显微镜
SPM概述－各类显微镜的比较
透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、场电子显微镜 （FEM ）、场离子显微镜（FIM）、低能电子衍射（LEED）、俄歇谱仪 （AES）、光电子能谱（ESCA）、电子探针
局限性： LEED及X射线衍射等衍射方法要求样品具备周期
– 侧向摩擦力显微镜（Lateral Force Microscope , LFM） – 摩擦力显微镜（Friction Force Microscope , FFM） – 磁力显微镜(Magnetic Force Microscope , MFM) – 静电力显微镜(Electric Force Microscopy , EFM) – 扫描近场光学显微镜(Near-field Scanning Optical
商品化的悬臂一般长为100~200 μm、宽10~40μm、厚 0.3~2μm，弹性系数变化范围一般在几十N·m-1到百分之几 N·m-1之间，共振频率一般大于10kHz。探针末端的针尖一般呈 金字塔形或圆锥形，针尖的曲率半径与AFM分辨率有直接关 系．一般商品针尖的曲率半径在几纳米到几十纳米范围．
SPM概述－独特优点
① 可在真空、大气、常温、溶液等不同环 境下工作，不需要特别的制样技术，并 且探测过程对样品无损伤。
② 设备相对简单、体积小、价格便宜、制 样容易、检测快捷、操作简便等特点。
③ 得到的是样品表面的三维立体图像。 ④ 兼具“眼睛”和“手”的功能。
SPM概述－几种表面分析仪器的比较
仪器
分辨率
工作环境
温度 对样品损伤
扫描探针
实环境、大气
显微镜（SPM 原子级（0.1nm）
、溶液、真
无
）
空
点分辨率
透射电镜 (TEM)
（0.3-0.5nm） 晶格分辨率
高真空
室温
Байду номын сангаас
小
（0.1-0.2nm）
扫描电镜（ SEM）
6-10 n m
高真空
室温
小
场离子显微镜 （FIM）
原子级
超高真空 30-80K
扫描探针显微镜
实验目的及要求 掌握AFM和MFM的基本原理
掌握AFM和MFM的操作和调试
观察样品的表面形貌和表面畴结构
扫描探针显微镜概述
定义 扫描探针显微镜
利用微小探针在样品表面扫描，通过 检测和控制探针与样品间相互作用的物 理量(隧道电流、原子间力、摩擦力、磁
力等)，来对样品微小区域表面进行形貌 检测及物性分析等的仪器的总称。
发明
发展历史
– 1982年，在瑞士苏黎世的IBM实验室，宾尼格 (Binning), 罗赫尔(Rohrer)等发明了STM。
发展
– 1986年，IBM和Stanford University合作 由Binning, Quate, and Gerber发明了原 子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM)。
悬臂末端的针尖组成．随着精细加工技术的发展 ，人们已经能制造出各种形状和特殊要求的探针 。悬臂是由Si或Si3N4经光刻技术加工而成的．悬 臂的背面镀有一层金属以达到镜面反射。在接触 式AFM中V形悬臂是常见的一种类型(如图3.2所 示)．
它的优点是具有低的垂直反 射机械力阻和高的侧向扭曲 机械力阻．悬臂的弹性系数 一般低于固体原于的弹性系 数， 悬臂的弹性常数与形状 、大小和材料有关．厚而短 的悬臂具有硬度大和振动频 率高的特点．
有
SPM概述－Scanning Probe Microscopy Family
❖ Scanning probe microscopy (SPM) is a relatively new family of microscope that can measure surface morphology down to atomic resolution.
Microscopy , SNOM) – 扫描电化学显微镜(Scanning Electrochemical
Microscopy , SECM)
一、 原子力显微镜原理
AFM的原理较为简单，它是用微小探针“ 摸索”样品表面来获得信息．如图1所示，当 针尖接近样品时，针尖受到力的作用使悬臂发 生偏转或振幅改变．悬臂的这种变化经检测系 统检测后转变成电信号传递给反馈系统和成像 系统，记录扫描过程中一系列探针变化就可以 获得样品表面信息图像．下面分别介绍检测系 统、扫描系统和反馈控制系统。
3 光电检测器 AFM光信号检测是通过光电检测器来完成的。激光由光源发
出照在金属包覆的悬臀上，经反射后进入光电二极管检测系 统．然后，通过电子线路把照在两个二极管上的光量差转换成 电压信号方式来指示光点位置。
4 扫描系统
AFM对样品扫描的精确控制是靠扫描器来实现的． 扫描器中装有压电转换器．压电装置在X，Y，Z三个 方向上精确控制样品或探针位置。目前构成扫描器的 基质材料主要是钛锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3]制成的压电陶 瓷材料．压电陶瓷有压电效应，即在加电压时有收缩 特性，并且收缩的程度与所加电压成比例关系．压电 陶瓷能将1mv~1000V的电压信号转换成十几分之一 纳米到几微米的位移。