扫描探针显微镜在材料表征的应用
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标 志着 对物 质表 面在显 微量 级上 成像 和分 析 的一个 新 技 术领域 的诞 生 ， 在 工 业 和科 技 方 面 有显 著 的 并 应用 ｊ本文 以纳 米 材 料 为 主 要 研 究 对 象 ， 述 了 ． 综 这 几 种扫描 探针 显 微 表征 技 术 ， 示 了这 几种 技 术 展 在纳 米材料 的结 构 和性能 方面 的应 用．
结构 表 征方 面 发 挥 了越来 越 重要 的作 用． Ｔ 的基 ＳＭ 本 原理 就是 隧道效 应 ， 直 径 小 到 原 子 尺度 的探 针 将 针尖 和样 品 的表 面作为 两个 电极 ， 电子而 言 ， 尖 对 针
型显微 表 面研究 新 技 术 ， 核 心 思想 是 利 用 探 针 尖 其 端 与物 质表 面原 子 间的不 同种类 的局域 相互作 用来
探 针对 被测样 品进行 扫 描 成 像 的 显微 镜 的总 称 ， 包
括 一 系列工作 原 理相 似 的可 以使 物质 成亚 纳米量 级 像 的新 型 显 微 技 术 ， 扫 描 隧 道 显 微 镜 （ Ｔ … 、 如 Ｓ Ｍ）
原 子力 显微镜 （ Ｆ Ｌ 、 Ａ Ｍ）２ 近场 扫描 光 学显 微镜 （ Ｎ Ｊ ｓ．
褚 宏祥 ① ②
（ 曲阜师范大学物理工程学院 ，７ １ ５ 曲阜市 ； 淄博师范高等专科学校科研处 ，５ １０ 山东省淄博市） ① ２３６ ， ② ２５３ ，
摘要： 作为一种广泛应用 的表 面表 征工具 ， 扫描探针显微镜 （Ｐ ） Ｓ Ｍ 不仅可 以表征三维形貌 ， 能定 量地 还
研究表面 的粗糙度 、 孔径大小和分布及颗粒尺寸 ， 在许 多学科 均可发挥 作用． 综述 了国外最新 的几种扫描探针 显微表征技术 ， 包括扫描隧道显微镜 （ Ｔ 、 Ｓ Ｍ） 原子力显 微镜 （ Ｆ 和近 场扫 描光学 显微镜 （ Ｎ Ｍ） Ａ Ｍ） Ｓ Ｏ 等方法 ，
第３ ６卷
第 ２期
曲
阜
师
范 大
学 学 报
Ｕｎｖ ｒ ｉ ｉｅ ｓｔ ｙ
Ｖ０ ． ６ Ｎｏ ２ １３ ． Ａｐ ． ２ ０ ｒ ０１
２１ ０ ０年 ４ 月
ｒ ｌ Ｊｕｎ ｌ ｏ Ｑ ｆ Ｎｏ ｍ ａ ｏ ｒａ ｆ ｕｕ
扫 描 探 针 显 微 镜 在 材 料 表 征 的 应 用
１ 引 言
纳米 材料 的分 析和 表征 对纳 米材料 和 纳米科 技 发展 具有重 要 的意 义 和 作 用 ． 米科 学 是 在 纳 米 尺 纳 度上 （ ． ｍ 一１ ０ｎ ） 其 本 身 具有 量子 尺 寸 效 ０ １ｎ ０ ｍ ， 应 ， 尺 寸效应 ， 面效 应 ， 观量 子 隧道效 应 ， 小 表 宏 库仑 堵塞 与量 子遂 穿效 应 和 介 电 限域 效 应 ， 而使 纳 米 因 材料 展现 出许 多 特有 的光 学 、 催 化 、 电化 学 、 光 光 化 学反 应 、 力学 、 热学 、 电等性 质 ． 导 研究 物质 的特性 及 其相 互作 用 ， 纳米 材 料 的化 学 组成 及 其结 构 是决 定 其性 能 和应用 的关 键 因素 ， 而要 探 讨 纳 米 材料 的结 构 与性 能之 间的关 系 ， 必 须对 其 在 原 子 尺度 和纳 就 米尺 度上 进行 表征 ． 要表 征 的重 要 特 征 主要 包 括 晶 粒尺 寸及 其分 布 和形 貌 、 界及 相 界 面 的 本 质 和形 晶
２ 扫描 探 针显 微 镜
要组 成 部分 ． 材料 结构 的表 征方 法相 当多 ， 就其任 但
务来 说 主要有 ３个 ， 即成分 分析 ， 构测定 和形 貌 观 结 察 ． 貌观察 主 要利 用显 微镜 ， 形 包括 光学 显微 镜和 电 子 显微 镜． 扫描 隧道 显 微 镜 （ ｃｎ ｉｇＰｏ ｅＭｉ ｏ— Ｓ ａｎｎ ｒｂ ｃ ｓ ｒ
ｃｐ ｏｙ，Ｓ Ｍ） ２ Ｐ 是 ０世 纪 ８ ０年 代 发 展 起 来 的一 种新
பைடு நூலகம்
微观 粒子 具有 波粒 二象性 的一 个重要 结 果就是 隧道 效应 ， 扫描 隧道 显微 镜 就 是 在 此基 础 上 发 展起
来 的． 自从 １８ ９ ２年 ＢｎｉｇＧ和 Ｒ ｈｅ 发 明 了扫 ｉｎｎ ｏｒｒ Ｈ 描 隧道显 微镜 以来 ， 扫描 隧道 显 微镜 在 材 料 的微 观
以纳 米 材 料 为 主要 研 究 对象 ， 示 了这 几 种 技 术 在 表 征 纳 米 材 料 的结 构 和性 能 方 面 的应 用 ． 展
关 键词 ： 材料表征 ； Ｐ ＳＭ； Ｆ Ｎ Ｓ ＳＭ； Ｔ Ａ Ｍ； Ｏ Ｍ
中图分 类号 ：４４ １ ０ ３．４
文献标 识码 ： Ａ
文章 编号 ： ０－ ３ （００ ０－ ８－ １ １ ３７２ １）２０ ０ ５ ０ ５ ０ ０ 测量 表 面原 子结构 和 电子 结构 ． Ｐ 是 一 系列 基 于 ＳＭ
Ｏ ［等． Ｍ）３ ｊ 由于 Ｓ Ｍ 基本 的操作 原理 可 以在 纳米 尺 Ｐ 寸 范 围 内进行 测 量 ， 析 以及定 量 的研 究 物质性 质 ， 分 这 些数 据反 映 了局 部甚 至单 个 原 子 或 分子 的性 质 ，
对 纳 米材料 提供 了新 的结 构 信 息 ． 描 探 针显 微 镜 扫
貌、 晶体 的完 整性 和 晶间缺 陷 的性质 、 晶粒 和跨 晶 跨 界 的成分 分 布 、 晶及 晶界 中 ， 质 的剖析 等 ． 微 杂
材 料性 能 的各 种测 试 技 术 ， 括宏 观 上 的性 能 包 测试 和 微观 上 的成 分结 构 的表 征 ， 材 料 科 学 的重 是
２ １ 扫描 隧道 显微 镜 （ Ｔ ． Ｓ Ｍ）
￥收 稿 日期 ：０ ９ ）－９ ２ ０ ４ ０ ５
作 者 简 介 ： 宏 祥 ， ，９ ０ ， 士 研 究 生 ， 教 ； 究方 向 ： 褚 男 １８ －硕 助 研 飞秒 激 光 与 材 料 科 学 ． — ｉ ｈｎｘａｇ６ ８ １３ ｃｒ Ｅｍａ ：ｏｇｉ ５ ７ ＠ ６ ．ｏ ｌ ｎ ｎ
结构 表 征方 面 发 挥 了越来 越 重要 的作 用． Ｔ 的基 ＳＭ 本 原理 就是 隧道效 应 ， 直 径 小 到 原 子 尺度 的探 针 将 针尖 和样 品 的表 面作为 两个 电极 ， 电子而 言 ， 尖 对 针
型显微 表 面研究 新 技 术 ， 核 心 思想 是 利 用 探 针 尖 其 端 与物 质表 面原 子 间的不 同种类 的局域 相互作 用来
探 针对 被测样 品进行 扫 描 成 像 的 显微 镜 的总 称 ， 包
括 一 系列工作 原 理相 似 的可 以使 物质 成亚 纳米量 级 像 的新 型 显 微 技 术 ， 扫 描 隧 道 显 微 镜 （ Ｔ … 、 如 Ｓ Ｍ）
原 子力 显微镜 （ Ｆ Ｌ 、 Ａ Ｍ）２ 近场 扫描 光 学显 微镜 （ Ｎ Ｊ ｓ．
褚 宏祥 ① ②
（ 曲阜师范大学物理工程学院 ，７ １ ５ 曲阜市 ； 淄博师范高等专科学校科研处 ，５ １０ 山东省淄博市） ① ２３６ ， ② ２５３ ，
摘要： 作为一种广泛应用 的表 面表 征工具 ， 扫描探针显微镜 （Ｐ ） Ｓ Ｍ 不仅可 以表征三维形貌 ， 能定 量地 还
研究表面 的粗糙度 、 孔径大小和分布及颗粒尺寸 ， 在许 多学科 均可发挥 作用． 综述 了国外最新 的几种扫描探针 显微表征技术 ， 包括扫描隧道显微镜 （ Ｔ 、 Ｓ Ｍ） 原子力显 微镜 （ Ｆ 和近 场扫 描光学 显微镜 （ Ｎ Ｍ） Ａ Ｍ） Ｓ Ｏ 等方法 ，
第３ ６卷
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扫 描 探 针 显 微 镜 在 材 料 表 征 的 应 用
１ 引 言
纳米 材料 的分 析和 表征 对纳 米材料 和 纳米科 技 发展 具有重 要 的意 义 和 作 用 ． 米科 学 是 在 纳 米 尺 纳 度上 （ ． ｍ 一１ ０ｎ ） 其 本 身 具有 量子 尺 寸 效 ０ １ｎ ０ ｍ ， 应 ， 尺 寸效应 ， 面效 应 ， 观量 子 隧道效 应 ， 小 表 宏 库仑 堵塞 与量 子遂 穿效 应 和 介 电 限域 效 应 ， 而使 纳 米 因 材料 展现 出许 多 特有 的光 学 、 催 化 、 电化 学 、 光 光 化 学反 应 、 力学 、 热学 、 电等性 质 ． 导 研究 物质 的特性 及 其相 互作 用 ， 纳米 材 料 的化 学 组成 及 其结 构 是决 定 其性 能 和应用 的关 键 因素 ， 而要 探 讨 纳 米 材料 的结 构 与性 能之 间的关 系 ， 必 须对 其 在 原 子 尺度 和纳 就 米尺 度上 进行 表征 ． 要表 征 的重 要 特 征 主要 包 括 晶 粒尺 寸及 其分 布 和形 貌 、 界及 相 界 面 的 本 质 和形 晶
２ 扫描 探 针显 微 镜
要组 成 部分 ． 材料 结构 的表 征方 法相 当多 ， 就其任 但
务来 说 主要有 ３个 ， 即成分 分析 ， 构测定 和形 貌 观 结 察 ． 貌观察 主 要利 用显 微镜 ， 形 包括 光学 显微 镜和 电 子 显微 镜． 扫描 隧道 显 微 镜 （ ｃｎ ｉｇＰｏ ｅＭｉ ｏ— Ｓ ａｎｎ ｒｂ ｃ ｓ ｒ
ｃｐ ｏｙ，Ｓ Ｍ） ２ Ｐ 是 ０世 纪 ８ ０年 代 发 展 起 来 的一 种新
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微观 粒子 具有 波粒 二象性 的一 个重要 结 果就是 隧道 效应 ， 扫描 隧道 显微 镜 就 是 在 此基 础 上 发 展起
来 的． 自从 １８ ９ ２年 ＢｎｉｇＧ和 Ｒ ｈｅ 发 明 了扫 ｉｎｎ ｏｒｒ Ｈ 描 隧道显 微镜 以来 ， 扫描 隧道 显 微镜 在 材 料 的微 观
以纳 米 材 料 为 主要 研 究 对象 ， 示 了这 几 种 技 术 在 表 征 纳 米 材 料 的结 构 和性 能 方 面 的应 用 ． 展
关 键词 ： 材料表征 ； Ｐ ＳＭ； Ｆ Ｎ Ｓ ＳＭ； Ｔ Ａ Ｍ； Ｏ Ｍ
中图分 类号 ：４４ １ ０ ３．４
文献标 识码 ： Ａ
文章 编号 ： ０－ ３ （００ ０－ ８－ １ １ ３７２ １）２０ ０ ５ ０ ５ ０ ０ 测量 表 面原 子结构 和 电子 结构 ． Ｐ 是 一 系列 基 于 ＳＭ
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对 纳 米材料 提供 了新 的结 构 信 息 ． 描 探 针显 微 镜 扫
貌、 晶体 的完 整性 和 晶间缺 陷 的性质 、 晶粒 和跨 晶 跨 界 的成分 分 布 、 晶及 晶界 中 ， 质 的剖析 等 ． 微 杂
材 料性 能 的各 种测 试 技 术 ， 括宏 观 上 的性 能 包 测试 和 微观 上 的成 分结 构 的表 征 ， 材 料 科 学 的重 是
２ １ 扫描 隧道 显微 镜 （ Ｔ ． Ｓ Ｍ）
￥收 稿 日期 ：０ ９ ）－９ ２ ０ ４ ０ ５
作 者 简 介 ： 宏 祥 ， ，９ ０ ， 士 研 究 生 ， 教 ； 究方 向 ： 褚 男 １８ －硕 助 研 飞秒 激 光 与 材 料 科 学 ． — ｉ ｈｎｘａｇ６ ８ １３ ｃｒ Ｅｍａ ：ｏｇｉ ５ ７ ＠ ６ ．ｏ ｌ ｎ ｎ