扫描探针显微镜STM及AFM及其在材料研究中的应用精品PPT课件

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100nm
备注
统 称 扫 描 力 显 微 镜 SFM
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扫描隧道显微镜 (Scanning Tunneling Microscope, STM)
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扫描隧道显微镜的诞生
1982年，世界第一台扫描隧道显微镜
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扫描隧道显微镜基本原理
扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy, STM)
SAM
formation
metal
ion
organic layer by layer growth
ligand
利用了STM高分辨的优势来直接观 察最初几层生长的结构特点， 为新 材料的设计提供思路。
Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 122, 1-6; Chem. Sci., 2012,3, 1858-1865
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纳米刻蚀/纳米操纵
hexadecane
Guest molecule
<110>
host molecule
<112>
3 nm
MC12 line patterned into a SAM of BP2
BP2 MC12
10 nm
MC12 lines patterned into a SAM of BP2
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作用力与距离的关系
原子与原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离 的不同而有所不同，其之间的能量表示也会不同。
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兰纳-琼斯（Lennard –Jones ）公式
为原子的直径 为原子之间的距离
当r降低到某程度时能量为＋E，代表空间中两原子相当接近且能 量为正，若假设r增加到某一程度时，其能量就会为－E 同时说 明空间中两个原子之距离相当远的且能量为负值。
可以应用到溶液体系当中 进行电镀, 腐蚀, 电池电极 表面反应等等一些原位的 观察并得到真实的信息。
uA
111100
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扫描电化学STM/EC-STM
100 nm
100 nm
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100 nm
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STM的局限性与发展
• 1.在恒电流模式下，样品表面微粒之间的沟槽 不能够准确探测。恒高模式下，需采用非常 尖锐的探针。
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原子力显微镜的优势
电子显微镜的样品必须进行固定、脱水、包埋、 切片、染色等一系列处理，因此电子显微镜只能观 察死的细胞或组织的微观结构;
原子力显微镜的样本可以是生理状态的各种物质 ，在大气条件或溶液中都能进行，因而只需很少或不 需对样品作前期处理，这样，就使AFM能观察任何 活的生命样品及动态过程。
貌，弥补STM只能观察导体和半导体不足。 许多实用的材料或感光的样品不导电，AFM出现引起科学界
普遍重视。 第一台AFM的横向分辨率仅为30 Å，而1987年斯坦福大学
Quate等报道他们的AFM达到原子级分辨率。 中国科学院化学所研制的隧道电流法检测、微悬臂运动AFM
于1988年底首次达到原子级分辨率。
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STM的特点
原子级高分辨率 ； 实空间中表面的三维图像 ； 观察单个原子层的局部表面结构 ; 可在真空、大气、常温等不同环境下工作; 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 。
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STM像
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分子自组装
Langmuir, 2008, 24(13), 6609-6615; Langmuir, 2008, 24(22), 12883-12891
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超分子自组装
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Chem. Commun., accepted
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MOF生长过程研究
Metal-organic coordination
Surface Controlled Metal Organic Frameworks SURMOFs
在室温下，利用扫描探针所能制备到的最小的结构
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Nanotechnology, 2009, 20, 245306
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扫描电化学STM/EC-STM
-80
Au/Mica
-60 Sweep rate:0.02V/Sec -40
-20
0
20
40
60 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 E/V vs. Cu/Cu2+
扫描探针显微镜（STM/AFM）及其在 材料研究中的应用

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2018年12月1
显微镜发展历史
第一代：光学显微镜(1676) 第二代：电子显微镜(1938) 第三代：扫描探针显微镜SPM （1982）
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SPM分类
名称
检测信号
分辨率
扫 描 探 针 显 微 镜
SPM
扫描隧道显微镜 STM
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原子力显微镜AFM
n 跟所有的扫描探针显微镜一样 ，AFM使用一个极细的探针在 样品表面进行扫描，探针是位 于一悬臂的末端顶部，该悬臂 可对针尖和样品间的作用力作 出反应。
n AFM与STM最大差别在非利 用电子隧道效应，而利用原子 之间的范德华力作用来呈现样 品表面特性。
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原子力显微镜AFM
横向力显微镜LFM
磁力显微镜MFM 静电力显微镜EFM
探针-样品间的隧道电流
探针－样品间的原子作用力 探针－样品间相对运动横向作用
力
0.1nm （原子 级分 辨率）
磁性探针－样品间的磁力
10nm
带电荷探针－带电样品间静电力 1nm
近场光学显微镜 SNOM
光探针接收到样品近场的光辐射
• 2.样品必须具有一定程度的导电性。
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原子力显微镜 (Atomic Force Microscope, AFM)
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原子力显微镜AFM
原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM) 1986年，诺贝尔奖金获得者宾尼等人发明。 不仅可观察导体和半导体表面形貌，且可观察非导体表面形
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原子力显微镜技术
SEM
TEM
1986 Nobel Prize
Scanning Probe Microscopy (SPM)
样品表面形貌、粗糙度、高度 电学性能 （I-V曲线、表面电势、静电力） 磁学性能 力学性能 （力曲线、黏附力、形变、模量） 样品表面电化学反应（活性位点定位） 大气，气氛条件、真空，液体条件下均可 原位实时观察，能最大程度真实反映样品的变化情况