近代测试技术发展第八章扫描探针显微镜
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近代测试技术发展
第八章 扫描探针显微镜
主要内容
扫描探针显微镜的产生 扫描探针显微镜的原理与特点 扫描探针显微镜的应用 存在的问题及其展望 我校SPM简介
扫描探针显微镜产生的必然性
表面结构分析仪器的局限性
1932年
Ruska 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
扫描探针显微镜的产生的必然性
纳米科技突飞猛进的发展
Biomolecular Recognition on Vertically Aligned Carbon Nanofibers[1]
ε-Co nanocrystals coated by a monolayer of poly(acrylic acid)-block-polystyrene [2]
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。
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，不需要特别制样技术，并且探测过程 对样品无损伤。
电容扫描显微镜（ SCM，接触型）：探针和试样表面间的 介电常数随扫描区域的不同而变化，从而导致接触面处电 容的变化，因此通过测定变化的电容，可得到试样表面的 介电常数分布。
其他几种SPM原理
热扫描显微镜 （SThM，非接触型)：悬臂梁有热膨胀系数 较大的材料制成。 探针扫描时，由于试样面上不同的热量 分布，导致悬臂梁变形量的不同，通过测定悬臂梁的振幅 变化可得到试样表面热量的分布。 近场光隧道扫描显微镜 （SNOM）：探针被固定，试样面 利用压电技术进行扫描，可测几纳米的近场，分辨率： 5～20 nm。
原子、分子操纵示意图
SPM对原子的操纵是一新热点
1990年，美国圣荷塞IBM阿尔马登研究所D. M. Eigler等 人在超真空环境中，用35个Xe原子排成IBM三个字母， 每个字母高5 nm，Xe原子间的最短距离为1 nm。
1992年又成功移动了吸附在Pt表面上的CO原子。 1993年成功移动48颗Fe原子排列成圆形，实现原子操纵
相位检测显微镜 (PDM)
SPM
静电子显微镜 (EFM) 电容扫描显微镜 (SCM)
热扫描显微镜 (SThM)
近场光隧道扫描显微镜 (SNOM)
等等
SPM重要意义
重要意义：SPM可操纵单原子、单分子技术，能使
人类从目前的微米尺度对材料的加工跨入到纳米尺度、 原子尺度，完成单分子、单原子、单电子器件的制作， 也可移动原子，构造纳米结构
Dendrimer-like Gold Nanoparticle[3]
DNA Translocation in Inorganic Nanotubes[4]
Diameter-Dependent Growth Direction of Epitaxial Silicon Nanowires[5]
SPM (scanning probe microscope) 发展史
1981年IBM公司G. Binning和H. Rohrer发明了扫描隧道显微镜 (STM)， 1986年获诺贝尔物理奖。 STM使人类第一次跨入原子 世界，直接观察物质表面的单个原子。
1985年G. Binning在STM的基础上发明原子力显微镜（AFM）
随后又相继发明了 力调制显微镜 (FMM)
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； SEM： 扫描电子显微 镜；TEM：透射电子显微镜；FIM：场离子显微镜；REM：反射电子显微 镜
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。
基于探针在被测试样表面进行纵、 横向扫描引起相关检测量变化
SPM基本原理示意图
扫描隧道显微镜（STM）原理
原子力显微镜（AFM）原理
力调制显微镜 （FMM）原理
相位检测显微镜 (PDM) 原理
其他几种SPM原理
静电子显微镜（ EFM，非接触型）：探针和试样表面间形 成的静电力随扫描区域电荷密度的差异而变化，因此通过 测定悬臂梁的振幅变化可得到试样表面的电荷分布。 电荷 探针
早在1959年美国著名物理学家，诺贝尔奖金获得者费 曼就设想：“如果有朝一日，人们能把百科全书存储在 一个针尖大小的空间内，并能移动原子，那将给科学 带来什么？”这正是对于纳米科技的预言，也就是人们 常说的小尺寸大世界。
扫描探针显微镜的组成
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。
技术。
科学家把碳60分子每十个一组放在铜的表面组成了世界 上最小的算盘。
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世界上最小针与样品表面间距小到纳米级时，按照近代量 子力学的观点，由于探针尖端的原子和样品表面的原子 具有特殊的作用力，并且该作用力随着距离的变化非常 显著。 当探针在样品表面来回扫描的过程中，顺着样品 表面的形状而上下移动。 独特的反馈系统始终保持探针 的力和高度恒定，一束激光从悬臂梁上反射到感知器， 这样就能实时给出高度的偏移值。 样品表面就能记录下 来，最终构建出三维的表面图[6] 。
电子 探针
低能 电子 衍射
光电 子能 谱
扫描 电子 显微 镜
扫描探针显微镜产生的必然性
低能电子衍射 和
X射线衍射
高分辨透射电子 显微镜
光学显微镜 和
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
用于薄层样品的体相和界面研究
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100 nm的针尖上的原 结构和二维几何性质，且制样技术复杂
第八章 扫描探针显微镜
主要内容
扫描探针显微镜的产生 扫描探针显微镜的原理与特点 扫描探针显微镜的应用 存在的问题及其展望 我校SPM简介
扫描探针显微镜产生的必然性
表面结构分析仪器的局限性
1932年
Ruska 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
扫描探针显微镜的产生的必然性
纳米科技突飞猛进的发展
Biomolecular Recognition on Vertically Aligned Carbon Nanofibers[1]
ε-Co nanocrystals coated by a monolayer of poly(acrylic acid)-block-polystyrene [2]
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。
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，不需要特别制样技术，并且探测过程 对样品无损伤。
电容扫描显微镜（ SCM，接触型）：探针和试样表面间的 介电常数随扫描区域的不同而变化，从而导致接触面处电 容的变化，因此通过测定变化的电容，可得到试样表面的 介电常数分布。
其他几种SPM原理
热扫描显微镜 （SThM，非接触型)：悬臂梁有热膨胀系数 较大的材料制成。 探针扫描时，由于试样面上不同的热量 分布，导致悬臂梁变形量的不同，通过测定悬臂梁的振幅 变化可得到试样表面热量的分布。 近场光隧道扫描显微镜 （SNOM）：探针被固定，试样面 利用压电技术进行扫描，可测几纳米的近场，分辨率： 5～20 nm。
原子、分子操纵示意图
SPM对原子的操纵是一新热点
1990年，美国圣荷塞IBM阿尔马登研究所D. M. Eigler等 人在超真空环境中，用35个Xe原子排成IBM三个字母， 每个字母高5 nm，Xe原子间的最短距离为1 nm。
1992年又成功移动了吸附在Pt表面上的CO原子。 1993年成功移动48颗Fe原子排列成圆形，实现原子操纵
相位检测显微镜 (PDM)
SPM
静电子显微镜 (EFM) 电容扫描显微镜 (SCM)
热扫描显微镜 (SThM)
近场光隧道扫描显微镜 (SNOM)
等等
SPM重要意义
重要意义：SPM可操纵单原子、单分子技术，能使
人类从目前的微米尺度对材料的加工跨入到纳米尺度、 原子尺度，完成单分子、单原子、单电子器件的制作， 也可移动原子，构造纳米结构
Dendrimer-like Gold Nanoparticle[3]
DNA Translocation in Inorganic Nanotubes[4]
Diameter-Dependent Growth Direction of Epitaxial Silicon Nanowires[5]
SPM (scanning probe microscope) 发展史
1981年IBM公司G. Binning和H. Rohrer发明了扫描隧道显微镜 (STM)， 1986年获诺贝尔物理奖。 STM使人类第一次跨入原子 世界，直接观察物质表面的单个原子。
1985年G. Binning在STM的基础上发明原子力显微镜（AFM）
随后又相继发明了 力调制显微镜 (FMM)
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； SEM： 扫描电子显微 镜；TEM：透射电子显微镜；FIM：场离子显微镜；REM：反射电子显微 镜
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。
基于探针在被测试样表面进行纵、 横向扫描引起相关检测量变化
SPM基本原理示意图
扫描隧道显微镜（STM）原理
原子力显微镜（AFM）原理
力调制显微镜 （FMM）原理
相位检测显微镜 (PDM) 原理
其他几种SPM原理
静电子显微镜（ EFM，非接触型）：探针和试样表面间形 成的静电力随扫描区域电荷密度的差异而变化，因此通过 测定悬臂梁的振幅变化可得到试样表面的电荷分布。 电荷 探针
早在1959年美国著名物理学家，诺贝尔奖金获得者费 曼就设想：“如果有朝一日，人们能把百科全书存储在 一个针尖大小的空间内，并能移动原子，那将给科学 带来什么？”这正是对于纳米科技的预言，也就是人们 常说的小尺寸大世界。
扫描探针显微镜的组成
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。
技术。
科学家把碳60分子每十个一组放在铜的表面组成了世界 上最小的算盘。
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世界上最小针与样品表面间距小到纳米级时，按照近代量 子力学的观点，由于探针尖端的原子和样品表面的原子 具有特殊的作用力，并且该作用力随着距离的变化非常 显著。 当探针在样品表面来回扫描的过程中，顺着样品 表面的形状而上下移动。 独特的反馈系统始终保持探针 的力和高度恒定，一束激光从悬臂梁上反射到感知器， 这样就能实时给出高度的偏移值。 样品表面就能记录下 来，最终构建出三维的表面图[6] 。
电子 探针
低能 电子 衍射
光电 子能 谱
扫描 电子 显微 镜
扫描探针显微镜产生的必然性
低能电子衍射 和
X射线衍射
高分辨透射电子 显微镜
光学显微镜 和
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
用于薄层样品的体相和界面研究
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100 nm的针尖上的原 结构和二维几何性质，且制样技术复杂