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扫描探针显微镜SPM/AFM

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主题：【原创】显微镜的发展史

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unht

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发表于：2011/03/13 17:38:42 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

一、显微镜的发展史

人的眼睛不能直接观察到比0.1mm更小的物体或物质的结构细节。人要想看得到更小的物

质结构，就必须利用工具，这种工具就是显微镜。

第一代显微镜：光学显微镜，极限分辨率是200纳米。由于光的衍射效应，分辨率受制于

半波长，可见光的最短波长为0.4微米。

第二代显微镜：电子显微镜。1924年，德布罗意提出了微观粒子具有波粒二象性的假设，

后来这种假设得到了实验证实。此后物理学家们利用电子在磁场中的运动与光线在介质中的传播

相似的性质，研制成功了电子透镜，在此基础上于1933年发明了电子显微镜。TEM的点分辨率为

0.2~0.5nm，晶格分辨率为0.1~0.2nm，扫描电镜的分辨率为6~10nm。它们的工作环境都要求高

真空，并且使用成本很高，在一定程度上限制了电子显微镜的发展。

第三代显微镜：扫描探针显微镜。80年代初期，IBM公司苏黎世实验室的G.Binning 和

H.Rohrer发明了扫描隧道显微镜，它的分辨率达到0.01纳米。STM的诞生，使人类第一次在实

间观测到了原子，并能够在超高真空超低温的状态下操纵原子。因为这两项重大的意义，这两位

科学家荣获了1986年的诺贝尔物理奖。在STM的基础上，又发明了原子力显微镜、磁力显微镜、

近场光学显微镜等等，这些显微镜都统称扫描探针显微镜。因为它们都是靠一根原子线度的极细

针尖在被研究物质的表面上方扫描，检测采集针尖和样品间的不同物理量，以此得到样品表面的

形貌图像和一些有关的电化学特性。如：扫描隧道显微镜检测的是隧道电流，原子力显微镜镜测

试的是原子间相互作用力等等。光学显微镜和电子显微镜都称之为远场显微镜，因为相对来说样

品离成像系统有比较远的距离。成像的图像好坏基本取决于仪器的质量。而扫描探针显微镜的工

作原理是基于微观或介观范围的各种物理特性，探针和样品之间只有2-3埃的距离，会产生相互

的作用,是一种相互影响的耦合体系。我们称它为近场显微镜。它的成像质量不单单取决于显微

镜本身，很大程度上受样品本身和针尖状态的影响。所以，我们在使用这一类的仪器时，要想得

到好的图像，关键是要学会分析判断各种图像及现象的产生原因，然后通过调整参数，得到相对

好的图像。

二、扫描探针显微镜（SPM）原理及设计思路

1、STM的产生

STM的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。对于经典物理学来说，当一个粒子的动能

低于前方势垒的高度时，他不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。

而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它

能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定

的条件下，隧道效应才会显著。

扫描隧道显微镜是将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针

尖的距离非常接近 (通常小于1nm)时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒

流向另一电极。由于隧道电流(纳安级)随距离而剧烈变化，让针尖在同一高度扫描材料表面，表

面那些“凸凹不平”的原子所造成的电流变化，通过计算机处理，便能在显示屏上看到材料表面
三维的原子结构图。STM具有空前的高分辨率(横向可达0.1nm，纵向可达0.01nm),它能直接观

察到物质表面的原子结构图，从而把人们带到了纳观世界。

STM中针尖对样品作两维扫描隧道电流与针尖样品表面距离呈负指数关系

2、STM恒高模式的产生和局限性

2.1 恒高模式

针尖以一个恒定的高度在样品表面快速地扫描，检测的是隧道电流的变化。当针尖扫描样

品表面时，记录每点的隧道电流值，经过处理后得到图像。

2.2 恒高模式的电路设计

2.3 恒高模式的局限

如设定高度太高则分辨率不够，如太低碰到样品表面较大的突起时容易撞针。

3、STM恒流模式的产生

3.1 恒流模式

针尖在样品表面扫描时，通过反馈电压不断地调解扫描针尖在竖直方向的位置以保证隧道

电流恒定在某一预先设定值，既隧道电流保持恒定。对于电子性质均一的表面，电流恒定实质上

意味着恒定针尖和样品的距离，因此通过记录针尖在表面的X-Y方向扫描时的反馈电压可以得到

表面的高度轮廓，从而获得样品表面形貌特征。经过计算机的记录和自动计算处理，样品表面的

高度将被精确测定。

3.2 恒流模式的三个重要参数：扫描速度、反馈速度、设定点

3.3.1 反馈的提出和应用

由于运用了反馈技术，使得针尖能够良好地跟踪样品表面，突破了恒高模式的局限。

3.3.2 扫描速度、反馈速度、设定点三者之间的关系

扫描速度：在可以接受的速度下，尽可能让扫描速度慢一些（值越大速度越慢）在

可以接受的图像质量下，尽可能让扫描速度快一些。扫描速度过快，来不及反馈，就有可能出现

撞针现象；扫描速度过慢，一方面等的时间太长难以承受，另一方面由于漂移现象的存在使针

尖漂离开工作区，从而得不到样品表面图像。

漂移产生原因：应力漂移和热漂移

漂移的时间效应：漂移始终存在，扫描时间长一些，会逐渐趋于稳定

漂移的方向性：在某个特定的方向，漂移比较大，所以在扫描小范围时，改变扫描

角度可以得到漂移较小的图像

漂移的消除方法：热处理、放置和运动消除，我们推荐用运动消除的方法，即用大

范围扫描光栅样品。

反馈速度：反馈速度过慢，反馈跟不上，使针尖不能很好的跟踪样品表面形貌的变

化。反馈速度过快，针尖上下起伏太快容易引起震荡，从而使样品形貌

失真。

震荡产生的原因：由于反馈的滞后性而产生，只要反馈存在就存在。

设定点：设定点值过大，针尖距离样品非常近，容易出现撞针事故设定点值过小，

针尖距离样品太远，针尖和样品之间的作用力非常小，针尖扫描时隧道电

流的变化非常微弱,样品表面的起伏信息很难通过电流变化直接反馈出来。

4、从STM的局限中走出来的AFM

4.1 STM的优缺点

特点：高分辨率，能够获得表面三维图像，可工作在大气、真空、溶液环境下，工作

温度可以改变，它的出现使人类第一次能够在三维实空间下观察单个原子在物质表面的排列状态

和表面电子行为有关的物理及化学性质；STM不仅可以用来观察原子分子，还可以在超高真空超

低温环境下进行原子操纵。

局限：首先，它不能工作在绝缘表面。其次，现今对STM 的成像理论，尤其对分子

的成像理论有不同解释，因其图像反映的是原子或分子的电子结构或者是电子云的密度，所以成

像的结果，究竟产生于原子或分子的何种电子轨道，以及分子与基底间相互作用对成像的影响

等，其细节尚有待于进一步揭示。

4.2 AFM的原理

扫描隧道显微镜工作时要检测针尖和样品之间隧道电流的变化，因此它只能直接观察

导体和半导体的表面结构。而在研究非导电材料时必须在其表面覆盖一层导电膜。导电膜的存在

往往掩盖了样品的表面结构的细节。为了弥补扫描隧道显微镜的这一不足，1986年Binnig、

Quate和Gerber发明了第一台原子力显微镜（AFM）。

原子力显微镜是将一个对微弱力及敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，

针尖与样品的表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在及微弱的排斥力（10^-8—

10^-6N），通过扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作

用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法和隧道电流检测法，可以测

得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品的表面形貌的信息。

4.3 AFM的光路设计—用光杠杆原理测量微小形变

5、轻敲模式AFM的诞生

5.1 AFM的局限

常规的接触模式扫描由于针尖对样品的作用力较大，会在软样品表面形成划痕，或使

样品变形，对粉体颗粒样品，会死样品移动，或将样品碎片吸附在针尖上，分辨率较差，而理想

的非接触模式由于工作程短，又是难于有效实施的。

5.2 轻敲模式AFM的产生

轻敲扫描模式的特点是在扫描过程中微悬臂被压电驱动器激发到共振振荡状态，针尖

随着悬臂的振荡，极其短暂地与样品表面进行接触，同时由于针尖与样品的接触时间非常短，因

此剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失，可以清晰观测完好的表面结构而不受表面高度起伏

的影响.轻敲扫描模式AFM，特别适用于检测生物样品及其它柔软、易碎、粘附性较强的样品。

并对针尖损耗相对最少。

6、总结SPM的几种常用工作模式

6.1 扫描隧道显微镜

6.2 原子力显微镜

接触模式：微悬臂探针紧压样品表面，扫描过程中与样品保持接触。该模式分辨率较

高，但成像时探针对样品作用力较大，容易对样品表面形成划痕，或将样品碎片吸附在针尖上，

适合检测表面强度较高、结构稳定的样品。

横向力模式:是接触模式的扩展技术，针尖压在样品表面扫描时，与起伏力方向垂直的

横向力使微悬臂探针左右扭曲，通过检测这种扭曲，获得样品纳米尺度局域上与探针的横向作用

力分布图。可以对样品纳米级摩擦系数进行间接测量

轻敲模式：在扫描过程中微悬臂被压电驱动器激发到共振振荡状态，样品表面的起伏

使微悬臂探针的振幅产生相应变化，从而得到样品的表面形貌。由于该模式下，针尖随着悬臂的

振荡，极其短暂地对样品进行“敲击”，因此横向力引起的对样品的破坏几乎完全消失，适合检

测生物样品及其它柔软、易碎、易吸附的样品，但分辨率比接触模式较低。

相移模式：是轻敲模式的扩展技术，通过检测微悬臂实际振动与其驱动信号源的相位

差（即两者的相移）的变化来成像。引起相移的因素很多，如样品的组分、硬度、粘弹性、环境

阻尼等。因此利用相移模式，可以在纳米尺度上获得样品表面局域性质的丰富信息。

抬起模式：该工作模式分两个阶段，第一阶段与普通原子力显微镜形貌成像一样，在

探针与样品间距1nm以内成像，然后，将探针抬起与样品距离一定高度，进行第二次扫描，该扫

描过程可以对一些较微弱但作用距离较长的作用力进行检测，如磁力或静电力。

6.3 摩擦力显微镜

影响横向力的因素很多，主要包括摩擦力、台阶扭动、粘弹性等，摩擦力显微镜是用

于定量评价极轻载荷下（10-7--10-9N）薄膜材料的摩擦学特性，能够获取微观摩擦系数，为纳

米摩擦学研究提供依据。

6.4 磁力显微镜

控制磁性探针在磁性样品表面进行逐行扫描，利用抬起工作模式二次成像，获得样品

纳米尺度局域上磁畴结构及分布图。

6.5 静电力显微镜

控制导电探针在样品表面进行逐行扫描，利用抬起工作模式二次成像，获得样品纳米

尺度局域上静电场分布图。

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2011/3/15 20:42:54 马扎管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

原文由 unht(unht) 发表:
二、扫描探针显微镜（SPM）原理及设计思路
　
1、STM的产生
STM的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。对于经典物理学来说，当一个粒子的动能
低于前方势垒的高度时，他不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。
而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它
能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定
的条件下，隧道效应才会显著。

为什么标题是“描探针显微镜（SPM）原理及设计思路”，内容却是“扫描隧道显微镜（STM）”？

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unht

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2011/3/16 8:15:29 地毯管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

原文由 小M(mitchell_dyzy) 发表:
原文由 unht(unht) 发表:
二、扫描探针显微镜（SPM）原理及设计思路
　
1、STM的产生
STM的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。对于经典物理学来说，当一个粒子的动能
低于前方势垒的高度时，他不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。
而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它
能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定
的条件下，隧道效应才会显著。

为什么标题是“描探针显微镜（SPM）原理及设计思路”，内容却是“扫描隧道显微镜（STM）”？