掃描探針顯微鏡-劉東

1、掃描探針顯微鏡掃描探針顯微鏡 （Scanning Probe Microscope，SPM）劉東劉東顯微鏡發(fā)展歷史顯微鏡發(fā)展歷史第一代：光學(xué)顯微鏡第一代：光學(xué)顯微鏡(1676)第二代：電子顯微鏡第二代：電子顯微鏡(1938) 第三代：掃描探針顯微鏡第三代：掃描探針顯微鏡SPM （1982）掃描探針顯微鏡掃描探針顯微鏡 vSPM(Scanning Probe Microscope) 是掃描隧道顯微鏡是掃描隧道顯微鏡STM及原子力顯微鏡及原子力顯微鏡AFM，激光力顯微鏡，激光力顯微鏡LFM，磁力，磁力顯微鏡顯微鏡MFM等的統(tǒng)稱，國際上近年發(fā)展起來的表面分析等的統(tǒng)稱，國際上近年發(fā)展起來的表面分析儀器

2、。儀器。v控制探針在被檢測樣品的表面進(jìn)行掃描，同時記錄下控制探針在被檢測樣品的表面進(jìn)行掃描，同時記錄下掃描過程中探針尖端和樣品表面的相互作用，就能得到掃描過程中探針尖端和樣品表面的相互作用，就能得到樣品表面的相關(guān)信息。樣品表面的相關(guān)信息。v利用這種方法得到被測樣品表面信息的分辨率取決于利用這種方法得到被測樣品表面信息的分辨率取決于控制掃描的定位精度和探針作用尖端的大?。刺结樀目刂茠呙璧亩ㄎ痪群吞结樧饔眉舛说拇笮。刺结樀募怃J度）。尖銳度）。 SPM的特點的特點 u原子級高分辨率原子級高分辨率 ；u實空間中表面的三維圖像實空間中表面的三維圖像 ；u觀察單個原子層的局部表面結(jié)構(gòu)觀察單個原子層的

3、局部表面結(jié)構(gòu) ;u可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作; u可以得到有關(guān)表面結(jié)構(gòu)的信息，例如表面不同可以得到有關(guān)表面結(jié)構(gòu)的信息，例如表面不同層次的態(tài)密度、表面電子阱、電荷密度波、表層次的態(tài)密度、表面電子阱、電荷密度波、表面勢壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等面勢壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等 。SPM分類分類 名稱名稱檢測信號檢測信號分辨率分辨率備注備注掃掃描描探探針針顯顯微微鏡鏡SPM掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡STM探針探針-樣品間的隧道電流樣品間的隧道電流0.1nm （原子（原子 級分級分 辨率）辨率） 原子力顯微鏡原子力顯微鏡AFM探針樣品間的原子作用力探針樣品間的原子作用

4、力統(tǒng)統(tǒng)稱稱掃掃描描力力顯顯微微鏡鏡SFM橫向力顯微鏡橫向力顯微鏡LFM探針樣品間相對運動橫向作用探針樣品間相對運動橫向作用力力磁力顯微鏡磁力顯微鏡MFM磁性探針樣品間的磁力磁性探針樣品間的磁力10nm靜電力顯微鏡靜電力顯微鏡EFM帶電荷探針帶電樣品間靜電力帶電荷探針帶電樣品間靜電力1nm近場光學(xué)顯微鏡近場光學(xué)顯微鏡SNOM光探針接收到樣品近場的光輻射光探針接收到樣品近場的光輻射100nm 掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡 (scanning tunneling microscope) u掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope) u1982年，年，G

5、erd Binning及其合作者在及其合作者在IBM公司公司蘇黎世實驗室共同研制成功了第一臺蘇黎世實驗室共同研制成功了第一臺 ，因此獲，因此獲得得1986 年的諾貝爾物理獎年的諾貝爾物理獎 。uSTM是通過檢測隧道電流來反映樣品表面形貌是通過檢測隧道電流來反映樣品表面形貌和結(jié)構(gòu)的。和結(jié)構(gòu)的。掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡 STMn使人類第一次能夠?qū)崟r地觀察單個原子在物質(zhì)使人類第一次能夠?qū)崟r地觀察單個原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理、表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)?；瘜W(xué)性質(zhì)。n在在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研等領(lǐng)域的研究中

6、有著重大的意義和廣闊的前景，被國際科究中有著重大的意義和廣闊的前景，被國際科學(xué)界公認(rèn)為二十世紀(jì)八十年代世界十大科技成學(xué)界公認(rèn)為二十世紀(jì)八十年代世界十大科技成就之一。就之一。掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡 STM出現(xiàn)的意義出現(xiàn)的意義Gerd Binning (IBM) (1947-)Heinrich Rohrer (Zurich) (1933-)In Touch with AtomsIn Touch with Atoms 美國商用機美國商用機器公司利用器公司利用STM直接操作原子，直接操作原子，成功地在成功地在Ni上，上，按自己的意志安按自己的意志安排原子合成排原子合成IBM 字樣。字樣。 高分辨

7、率，分辨率橫向高分辨率，分辨率橫向0.1nm、縱向、縱向0.01nm； 可實時地得到在實空間中表面的三維圖象；可實時地得到在實空間中表面的三維圖象； 可觀察單個原子層的局部表面結(jié)構(gòu)；可觀察單個原子層的局部表面結(jié)構(gòu)； 可在真空、大氣等不同環(huán)境下工作，甚至可將樣品浸在可在真空、大氣等不同環(huán)境下工作，甚至可將樣品浸在溶液中，其工作溫度可以在溶液中，其工作溫度可以在mK到到1100K范圍，并且探范圍，并且探測過程對樣品無損傷；測過程對樣品無損傷； 通過針尖與樣品間的電學(xué)和力學(xué)作用，可以進(jìn)行樣品表通過針尖與樣品間的電學(xué)和力學(xué)作用，可以進(jìn)行樣品表面的原子操縱或納米加工，構(gòu)造所需的納米結(jié)構(gòu)；面的原子操縱或納

8、米加工，構(gòu)造所需的納米結(jié)構(gòu)； 配合掃描隧道譜配合掃描隧道譜STS可得到有關(guān)表面局域電子結(jié)構(gòu)的信可得到有關(guān)表面局域電子結(jié)構(gòu)的信息。息。STM的優(yōu)點的優(yōu)點掃描隧道顯微鏡的原理結(jié)構(gòu)掃描隧道顯微鏡的原理結(jié)構(gòu)n極細(xì)探針與研究物質(zhì)作為兩個探極。極細(xì)探針與研究物質(zhì)作為兩個探極。|掃描探針一般采用直徑小于掃描探針一般采用直徑小于1mm的細(xì)金屬絲，如鎢絲、鉑的細(xì)金屬絲，如鎢絲、鉑銥絲等；被觀測樣品應(yīng)具有一定導(dǎo)電性才可以產(chǎn)生隧道電流。銥絲等；被觀測樣品應(yīng)具有一定導(dǎo)電性才可以產(chǎn)生隧道電流。n對于經(jīng)典物理學(xué)來說，當(dāng)一個粒子的動能對于經(jīng)典物理學(xué)來說，當(dāng)一個粒子的動能E低于前方勢壘的低于前方勢壘的高度高度V0時，它不可能

9、越過此勢壘，即透射系數(shù)等于零；時，它不可能越過此勢壘，即透射系數(shù)等于零；n而按量子力學(xué)的計算，在一般情況下，其透射系數(shù)不等于零，而按量子力學(xué)的計算，在一般情況下，其透射系數(shù)不等于零，也就是說，粒子可以穿過比它能量更高的勢壘，這種現(xiàn)象稱也就是說，粒子可以穿過比它能量更高的勢壘，這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。為隧道效應(yīng)。n穿過的概率和距離有關(guān)，距離越近，穿過的幾率越大。當(dāng)兩穿過的概率和距離有關(guān)，距離越近，穿過的幾率越大。當(dāng)兩個電極相距在幾個原子大小的范圍時，電子能從一極到達(dá)另個電極相距在幾個原子大小的范圍時，電子能從一極到達(dá)另一極，幾率和兩極的間距成指數(shù)反比關(guān)系。一極，幾率和兩極的間距成指數(shù)反比關(guān)系。1、

10、隧道電流、隧道電流（1）隧道效應(yīng)）隧道效應(yīng)掃描隧道顯微鏡（掃描隧道顯微鏡（STM）的工作原理是基于）的工作原理是基于量子力學(xué)量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。的隧道效應(yīng)。0VEa量量子子力力學(xué)學(xué)中中的的隧隧道道效效應(yīng)應(yīng))(22200016EVmaeVEVET）（T與勢壘寬度與勢壘寬度a、能量差（、能量差（V0E）以及粒子的質(zhì)量）以及粒子的質(zhì)量m有著很敏感的依賴關(guān)系，隨著有著很敏感的依賴關(guān)系，隨著a的增加，的增加，T將指數(shù)將指數(shù)衰減，因此在宏觀實驗中，很難觀察到粒子隧穿勢衰減，因此在宏觀實驗中，很難觀察到粒子隧穿勢壘的現(xiàn)象。壘的現(xiàn)象。透射系數(shù)透射系數(shù)（2）隧道電流）隧道電流 掃描隧道顯微鏡是將掃描隧道顯微鏡是

11、將原子線度的探針原子線度的探針和樣品表和樣品表面作為兩個電極，當(dāng)樣品和針尖的距離非常接近時面作為兩個電極，當(dāng)樣品和針尖的距離非常接近時（通常小于（通常小于1nm），在外加電場的作用下，電子會），在外加電場的作用下，電子會穿過兩電極之間的勢壘流向另一電極，從而形成隧穿過兩電極之間的勢壘流向另一電極，從而形成隧道電流。因此，道電流。因此，STM圖像是樣品表面原子幾何結(jié)構(gòu)圖像是樣品表面原子幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的綜合效應(yīng)的結(jié)果。和電子結(jié)構(gòu)的綜合效應(yīng)的結(jié)果。隧道電流隧道電流I是針尖的電子波函數(shù)和樣品表面的電子波是針尖的電子波函數(shù)和樣品表面的電子波函數(shù)重疊的量度，與針尖和樣品之間距離函數(shù)重疊的量度，與針尖和

12、樣品之間距離S和平均功和平均功函數(shù)函數(shù)有關(guān)。有關(guān)。)exp(21SAVIbVb是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，是加在針尖和樣品之間的偏置電壓， =(1 +2)/2是平均功函數(shù)是平均功函數(shù),1和和2分別為針尖和分別為針尖和樣品的功函數(shù)，樣品的功函數(shù)，A為常數(shù)，在真空條件下約等于為常數(shù)，在真空條件下約等于1。n由上式可知，隧道電流由上式可知，隧道電流I對針尖和樣品之間的距離對針尖和樣品之間的距離S有著有著指數(shù)指數(shù)的依賴關(guān)系，的依賴關(guān)系，距離距離S每減小每減小0.1nm，隧，隧道電流就增加一個數(shù)量級道電流就增加一個數(shù)量級。n如果利用電子反饋線路控制隧道電流恒定不變，如果利用電子反饋線路控制隧道電流恒

13、定不變，當(dāng)針尖在樣品表面掃描時，探針就會隨樣品表面當(dāng)針尖在樣品表面掃描時，探針就會隨樣品表面高度的變化而上下波動，將這種高度的變化記錄高度的變化而上下波動，將這種高度的變化記錄下來就得到樣品的表面形貌，這就是下來就得到樣品的表面形貌，這就是STM的工作的工作原理原理。STM的工作原理示意圖的工作原理示意圖AxyzSrTIV,反饋回路B原子尺度原子尺度針尖針尖被分被分析樣析樣品品樣品與針樣品與針尖間距尖間距掃描模式掃描模式n恒電流模式恒電流模式：適用于觀察表面形貌起伏較大的樣品。：適用于觀察表面形貌起伏較大的樣品。n恒高度模式恒高度模式：掃描速度快，減少噪音等，不能用于觀察表：掃描速度快，減少噪

14、音等，不能用于觀察表面起伏大于面起伏大于1nm 的樣品。的樣品。（a）恒電流模式；）恒電流模式； （b）恒高度模式）恒高度模式STM的儀器構(gòu)造的儀器構(gòu)造STM InstrumentationSTM由具有減振系統(tǒng)的由具有減振系統(tǒng)的頭部頭部(含探針和樣品臺含探針和樣品臺)、電子學(xué)控制系統(tǒng)和包括電子學(xué)控制系統(tǒng)和包括A/D 多功能卡的計算機組多功能卡的計算機組成。成。TipScannerSample positionerVibration isolationControl electronicsPre-amplifierFeedbackScan control Computer and softwar

15、e隧道針尖隧道針尖nSTM技術(shù)中的主要問技術(shù)中的主要問題。針尖尺寸、形狀題。針尖尺寸、形狀及化學(xué)同一性不僅影及化學(xué)同一性不僅影響分辨率還關(guān)系電子響分辨率還關(guān)系電子結(jié)構(gòu)測量。結(jié)構(gòu)測量。n鎢針尖的制備：電化鎢針尖的制備：電化學(xué)腐蝕方法學(xué)腐蝕方法n鉑銥合金針尖的制備：鉑銥合金針尖的制備：1）兩步電化學(xué)腐蝕法；）兩步電化學(xué)腐蝕法；2）機械成形法；）機械成形法；3）剪切法剪切法壓電陶瓷步進(jìn)馬達(dá)掃描控制器壓電陶瓷步進(jìn)馬達(dá)掃描控制器n壓電現(xiàn)象：某種晶體機械力壓電現(xiàn)象：某種晶體機械力形變形變電場電場xx，y y，z z掃描控制器件。掃描控制器件。n壓電陶瓷材料：極化處理壓電陶瓷材料：極化處理振動隔絕系統(tǒng)振動隔

16、絕系統(tǒng)n工作針尖與樣品間距小于工作針尖與樣品間距小于1nm，隧道電流與間，隧道電流與間距成指數(shù)關(guān)系。距成指數(shù)關(guān)系。n恒流模式中，表面起伏通常為恒流模式中，表面起伏通常為0.01nm，振動引，振動引起小于起小于0.001nm。nSTM減震系統(tǒng)設(shè)計主要考慮低頻：減震系統(tǒng)設(shè)計主要考慮低頻：1-100HZn防振：防振：1.提高儀器的固有振動頻率。提高儀器的固有振動頻率。 2.使用振動阻尼系統(tǒng)。使用振動阻尼系統(tǒng)。電子學(xué)控制系統(tǒng)電子學(xué)控制系統(tǒng) STM要用計算機控制步進(jìn)電機的驅(qū)動，使探針要用計算機控制步進(jìn)電機的驅(qū)動，使探針逼近樣品，進(jìn)入隧道區(qū)，而后要不斷采集隧道電逼近樣品，進(jìn)入隧道區(qū)，而后要不斷采集隧道電流

17、，在恒電流模式中還要將隧道電流與設(shè)定值相流，在恒電流模式中還要將隧道電流與設(shè)定值相比較，再通過反饋系統(tǒng)控制探針的進(jìn)與退，從而比較，再通過反饋系統(tǒng)控制探針的進(jìn)與退，從而保持隧道電流的穩(wěn)定。所有這些功能，都是通過保持隧道電流的穩(wěn)定。所有這些功能，都是通過電子學(xué)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。電子學(xué)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。實驗操作與進(jìn)行：實驗操作與進(jìn)行：n一一.針尖的制作：針尖的制作：n二二.針尖的安裝：針尖的安裝：n三三.實驗設(shè)置：掃描模式、掃描范圍、隧道電實驗設(shè)置：掃描模式、掃描范圍、隧道電流、偏置電壓、反饋電壓、放大、增益。流、偏置電壓、反饋電壓、放大、增益。n四四.逼近隧道區(qū)（隧道電流）逼近隧道區(qū)（隧道電流）n

18、五五.掃描：觀察圖象、調(diào)整電流、偏壓等。掃描：觀察圖象、調(diào)整電流、偏壓等。電子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)和STM像像uSTM通常被認(rèn)為是測量表面原子結(jié)構(gòu)的工具，具通常被認(rèn)為是測量表面原子結(jié)構(gòu)的工具，具直接測量原子間距的分辨率。直接測量原子間距的分辨率。u但必須考慮電子結(jié)構(gòu)的影響，否則容易產(chǎn)生錯誤但必須考慮電子結(jié)構(gòu)的影響，否則容易產(chǎn)生錯誤的信息。的信息。u其實，在考慮了遂穿過程以及樣品表面與針尖的其實，在考慮了遂穿過程以及樣品表面與針尖的電子態(tài)的性質(zhì)后，電子態(tài)的性質(zhì)后，STM代表的應(yīng)該是表面的局部代表的應(yīng)該是表面的局部電子結(jié)構(gòu)和遂穿勢壘的空間變化。電子結(jié)構(gòu)和遂穿勢壘的空間變化。STM應(yīng)用應(yīng)用u金屬和半導(dǎo)體表

19、面的金屬和半導(dǎo)體表面的STM研究：研究：u研究表面上發(fā)生的物理與化學(xué)過程。研究表面上發(fā)生的物理與化學(xué)過程。u物理現(xiàn)象：晶體生長過程、表面物質(zhì)沉積過程。物理現(xiàn)象：晶體生長過程、表面物質(zhì)沉積過程。u表面化學(xué)反應(yīng)。表面化學(xué)反應(yīng)。STM圖像的解釋圖像的解釋nSTM圖像反映樣品表面局圖像反映樣品表面局域電子結(jié)構(gòu)和隧穿勢壘的域電子結(jié)構(gòu)和隧穿勢壘的空間變化，與表面原子核空間變化，與表面原子核的位置沒有直接關(guān)系，并的位置沒有直接關(guān)系，并不能將觀察到的表面高低不能將觀察到的表面高低起伏簡單歸納為原子排布起伏簡單歸納為原子排布結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)；n針尖電子態(tài)的影響針尖電子態(tài)的影響 STM圖像是針尖電子態(tài)與圖像是針尖電子態(tài)

20、與樣品表面局域電子態(tài)的卷樣品表面局域電子態(tài)的卷積；積；組成碳纖維的帶狀細(xì)纖維有螺旋結(jié)構(gòu)的趨向，螺旋伸展方向沿纖維軸向。組成碳纖維的帶狀細(xì)纖維有螺旋結(jié)構(gòu)的趨向，螺旋伸展方向沿纖維軸向。經(jīng)電化學(xué)腐蝕以后，碳纖維變得較粗糙，同時在纖維中仍發(fā)現(xiàn)有螺旋結(jié)經(jīng)電化學(xué)腐蝕以后，碳纖維變得較粗糙，同時在纖維中仍發(fā)現(xiàn)有螺旋結(jié)構(gòu)的細(xì)纖維?？梢?，這種螺旋結(jié)構(gòu)在碳纖維的表面和內(nèi)部都存在。構(gòu)的細(xì)纖維。可見，這種螺旋結(jié)構(gòu)在碳纖維的表面和內(nèi)部都存在。 在在HOPG基底上基底上CPU聚合物膜在室溫大氣中的聚合物膜在室溫大氣中的STM圖像。可看到圖像。可看到58個棒狀分子連在一起形成聚合分子鏈，這些聚合分子鏈在個棒狀分子連在一起

21、形成聚合分子鏈，這些聚合分子鏈在X方向上首尾相壓呈周期性排列。方向上首尾相壓呈周期性排列。AB樣品表面的高度呈鋸齒形。樣品表面的高度呈鋸齒形。 掃描范圍為掃描范圍為42 42，Vb = 87mV，It = 0.53nA STM像像電遷移過程中的表面擴散電遷移過程中的表面擴散361m 1m光柵表面形貌的三維立體圖光柵表面形貌的三維立體圖37金團簇（濺射薄膜）表面形貌三維立體圖金團簇（濺射薄膜）表面形貌三維立體圖38高序石墨樣品的表面原子排列圖高序石墨樣品的表面原子排列圖39Si(111)-77重構(gòu)表面的真空重構(gòu)表面的真空STM圖象圖象40砷化鎵砷化鎵GaAs表面的真空表面的真空STM圖象圖象ST

22、M manipulationFe原子在原子在Cu基板上原子像基板上原子像原子原子 / 分子分子 搬運搬運Cu on Cu(111) Ag on Ag(111) Year 2000 -CO on Cu(211)中國科學(xué)院化學(xué)研究所的科技人員利用自制的掃描隧道顯微鏡，在中國科學(xué)院化學(xué)研究所的科技人員利用自制的掃描隧道顯微鏡，在石墨表面上刻蝕出來的圖象。圖形的線寬實際上只有石墨表面上刻蝕出來的圖象。圖形的線寬實際上只有10nm10nm。44Fe on Cu (111)45Si (111) surface upon irradiationby 3keV Ar+ at a dose of 3X1012i

23、ons/cm2.(20X20nm2)Si (111) surface irradiated by5keV Xe+ at a dose of 1.5X1013ions/cm2. (40X40nm2)Missing and displacing atomsCraters SizeIon EnergySTM images of Si(111) surfaces irradiated with Xe ions at: (a) 1keV, (b) 3keVand (c) 5keV.The average size of the trace does not depend on the ion energ

24、y ranging from1 to 5 keV.46abc47Annealed Si(111) surface after Xe ion irradiation. (3keV, 1.2X1012 ions/cm2,annealed for 30 min).400C, vacancies in subsurface diffuse toward the surface.600C, vacancy clusters are formed.Diffusion of VacanciesDiffusion of interstitialsSame area, 650C, Xe+, 1keV.Inter

25、stitial atoms diffuse and recombine with surface vacancies.the size of the vacancy cluster decreases with annealing time.For the case (3keV Ar+, 3X1012 ion/cm2), annealing at 750C for 2min, Si surface was restored for the irradiated Si(111) surface.2min16minDiffusion of vacancies and interstitialsCr

26、ater Size shrinkage and expansion460C, 3keV Ar+, 1012ions/cm2. (10nmX15nm)426s70s35s105s44s123s50Graphite (highly oriented pyrolytic, HOPG)51HOPG52Track diameter & formation efficiencytrack diametertrack formation efficiency53STM Topograph of Quantum DotGe pyramid containing2000 Ge atoms on Si(100)G

27、e dome grown by PVDon Si(100)54STM Images of Ni Clusters at DifferentSample Bias VoltagesNi3 on MoS255Growth of Lead on Copper56Chemical ContrastPtCo(100) surface57Segregation58Non-metals-Salt59Dislocations60Crystallography of Iron Films61Adsorption-AlO2 on aluminum surface62Adsorption-AgPdoxygen on

28、 a silver-palladium (AgPd) alloy surfaceSTM的局限性與發(fā)展的局限性與發(fā)展n1.在恒電流模式下，樣品表面微粒之間的溝槽不能在恒電流模式下，樣品表面微粒之間的溝槽不能夠準(zhǔn)確探測。恒高模式下，需采用非常尖銳的探針。夠準(zhǔn)確探測。恒高模式下，需采用非常尖銳的探針。n2.樣品必須具有一定程度的導(dǎo)電性。樣品必須具有一定程度的導(dǎo)電性。STM基礎(chǔ)上發(fā)展的各種新型顯微鏡基礎(chǔ)上發(fā)展的各種新型顯微鏡n原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（AFM）、）、激光力顯微鏡（激光力顯微鏡（LFM）、摩）、摩擦力顯微鏡、磁力顯微鏡（擦力顯微鏡、磁力顯微鏡（MFM）、靜電力顯微鏡、）、靜電力顯微鏡、

29、掃描熱顯微鏡、彈道電子發(fā)射顯微鏡（掃描熱顯微鏡、彈道電子發(fā)射顯微鏡（BEEM）、掃描）、掃描隧道電位儀（隧道電位儀（STP）、掃描離子電導(dǎo)顯微鏡（）、掃描離子電導(dǎo)顯微鏡（SICM）、）、掃描近場光學(xué)顯微鏡（掃描近場光學(xué)顯微鏡（SNOM）和掃描超聲顯微鏡等。）和掃描超聲顯微鏡等。n探索物質(zhì)表面或界面的特性，如表面不同部位的磁場、探索物質(zhì)表面或界面的特性，如表面不同部位的磁場、靜電場、熱量損失、離子流量、表面摩擦力以及在擴大靜電場、熱量損失、離子流量、表面摩擦力以及在擴大可測量樣品的范圍等方面提供了有力的工具?？蓽y量樣品的范圍等方面提供了有力的工具。 原子力顯微鏡原子力顯微鏡(Atomic For

30、ce Microscopy, AFM)原子力顯微鏡原子力顯微鏡AFMu原子力顯微鏡原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM) u1986年，諾貝爾獎金獲得者賓尼等人發(fā)明。年，諾貝爾獎金獲得者賓尼等人發(fā)明。u不僅可觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體表面形貌，不僅可觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體表面形貌，且可觀察非導(dǎo)體表面形且可觀察非導(dǎo)體表面形貌貌，彌補，彌補STM只能觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體不足。只能觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體不足。u許多實用的材料或感光的樣品不導(dǎo)電，許多實用的材料或感光的樣品不導(dǎo)電，AFM出現(xiàn)引起科學(xué)界出現(xiàn)引起科學(xué)界普遍重視。普遍重視。u第一臺第一臺AFM的橫向分辨率僅為的橫向分辨率僅為30 ，而

31、，而1987年斯坦福大學(xué)年斯坦福大學(xué)Quate等報道他們的等報道他們的AFM達(dá)到原子級分辨率。達(dá)到原子級分辨率。u中國科學(xué)院化學(xué)所研制的隧道電流法檢測、微懸臂運動中國科學(xué)院化學(xué)所研制的隧道電流法檢測、微懸臂運動AFM于于1988年底首次達(dá)到原子級分辨率。年底首次達(dá)到原子級分辨率。原子力顯微鏡原子力顯微鏡AFMn跟所有的掃描探針顯微鏡一樣，跟所有的掃描探針顯微鏡一樣，AFM使用一個極細(xì)的探針在使用一個極細(xì)的探針在樣品表面進(jìn)行掃描，樣品表面進(jìn)行掃描，探針是位探針是位于一懸臂的末端頂部，于一懸臂的末端頂部，該懸臂該懸臂可對針尖和樣品間的作用力作可對針尖和樣品間的作用力作出反應(yīng)。出反應(yīng)。 nAFM與與

32、STM最大差別在非利最大差別在非利用電子隧道效應(yīng)，而利用原子用電子隧道效應(yīng)，而利用原子之間的范德華力作用來呈現(xiàn)樣之間的范德華力作用來呈現(xiàn)樣品表面特性。品表面特性。AFM的優(yōu)點的優(yōu)點 STM 的探針是由針尖與樣品之間的隧道電流的的探針是由針尖與樣品之間的隧道電流的變化決定的，變化決定的，STM要求樣品表面能夠?qū)щ?，只能直要求樣品表面能夠?qū)щ?，只能直接觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體的表面結(jié)構(gòu)。接觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體的表面結(jié)構(gòu)。 對于非導(dǎo)電的物對于非導(dǎo)電的物質(zhì)則要求樣品覆蓋一層導(dǎo)電薄膜，質(zhì)則要求樣品覆蓋一層導(dǎo)電薄膜，但導(dǎo)電薄膜的粒度但導(dǎo)電薄膜的粒度和均勻性難以保證，和均勻性難以保證，且掩蓋了物質(zhì)表面的細(xì)節(jié)。且掩蓋了物

33、質(zhì)表面的細(xì)節(jié)。 原子力顯微鏡利用原子之間的范德華力來呈現(xiàn)樣原子力顯微鏡利用原子之間的范德華力來呈現(xiàn)樣品的表面特性。因此，品的表面特性。因此，AFM 除導(dǎo)電樣品外，還能夠除導(dǎo)電樣品外，還能夠觀測觀測非導(dǎo)電樣品非導(dǎo)電樣品的表面結(jié)構(gòu)，且不需要用導(dǎo)電薄膜覆的表面結(jié)構(gòu)，且不需要用導(dǎo)電薄膜覆蓋，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏鼮閺V闊。蓋，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏鼮閺V闊。v1.原子級的高分辨率原子級的高分辨率AFM的三大特點的三大特點光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)一般都超不過光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)一般都超不過1000倍倍;電子電子顯微鏡的放大倍數(shù)極限為顯微鏡的放大倍數(shù)極限為200萬倍萬倍;而而AFM的放大倍數(shù)能高達(dá)的放大倍數(shù)能高達(dá)10億倍億倍,v

34、2.觀察活的生命樣品觀察活的生命樣品 電子顯微鏡的樣品必須進(jìn)行電子顯微鏡的樣品必須進(jìn)行固定、脫水、包埋、固定、脫水、包埋、切片、染色切片、染色等一系列處理，因此電子顯微鏡只能觀等一系列處理，因此電子顯微鏡只能觀察死的細(xì)胞或組織的微觀結(jié)構(gòu)察死的細(xì)胞或組織的微觀結(jié)構(gòu); 原子力顯微鏡的樣本可以是生理狀態(tài)的各種物質(zhì)，原子力顯微鏡的樣本可以是生理狀態(tài)的各種物質(zhì)，在大氣條件或溶液中都能進(jìn)行，因而只需很少或不在大氣條件或溶液中都能進(jìn)行，因而只需很少或不需對樣品作前期處理，這樣，就使需對樣品作前期處理，這樣，就使AFM能觀察任何能觀察任何活的生命樣品及動態(tài)過程?；畹纳鼧悠芳皠討B(tài)過程。v3.加工樣品的力行為加

35、工樣品的力行為 測試樣品的硬度和彈性等；測試樣品的硬度和彈性等；AFM還能產(chǎn)生和測還能產(chǎn)生和測量電化學(xué)反應(yīng)。量電化學(xué)反應(yīng)。AFM還具有對標(biāo)本的分子或原子進(jìn)還具有對標(biāo)本的分子或原子進(jìn)行加工的力行為，例如：可搬移原子，切割染色體，行加工的力行為，例如：可搬移原子，切割染色體，在細(xì)胞膜上打孔等等。在細(xì)胞膜上打孔等等。原子與原子之間的交互作用力因為彼此之間的距離原子與原子之間的交互作用力因為彼此之間的距離的不同而有所不同，其之間的能量表示也會不同。的不同而有所不同，其之間的能量表示也會不同。 作用力與距離的關(guān)系作用力與距離的關(guān)系 為原子的直徑為原子的直徑為原子之間的距離為原子之間的距離 蘭納蘭納-瓊斯

36、（瓊斯（Lennard Jones ）公式）公式 當(dāng)當(dāng)r降低到某程度時能量為降低到某程度時能量為E，代表空間中兩原子相當(dāng)接近且，代表空間中兩原子相當(dāng)接近且能量為正，若假設(shè)能量為正，若假設(shè)r增加到某一程度時，其能量就會為增加到某一程度時，其能量就會為E 同時同時說明空間中兩個原子之距離相當(dāng)遠(yuǎn)的且能量為負(fù)值。說明空間中兩個原子之距離相當(dāng)遠(yuǎn)的且能量為負(fù)值。在原子力顯微鏡（在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，使用）的系統(tǒng)中，使用微小懸臂來感測針尖微小懸臂來感測針尖與樣品之間的交互作用與樣品之間的交互作用，這作用力會使懸臂擺動，利用激光將，這作用力會使懸臂擺動，利用激光將光照射在懸臂的末端，當(dāng)擺動形成時，

37、會使反射光的位置改變光照射在懸臂的末端，當(dāng)擺動形成時，會使反射光的位置改變而造成偏移量，此時而造成偏移量，此時激光檢測器會記錄此偏移量激光檢測器會記錄此偏移量，也會把此時，也會把此時的信號給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，最后再將樣品的信號給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，最后再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現(xiàn)出來。的表面特性以影像的方式給呈現(xiàn)出來。n接觸模式接觸模式 (contact mode) n非接觸模式非接觸模式 (non-contact mode)n輕敲模輕敲模式式 (tapping / intermittent contact mode) force curve工作模式工作模

38、式 針尖始終向樣品接觸并簡單地在表面上移動，針尖針尖始終向樣品接觸并簡單地在表面上移動，針尖樣品間樣品間的相互作用力是互相接觸原于的電子間存在的的相互作用力是互相接觸原于的電子間存在的庫侖排斥力庫侖排斥力，其，其大小通常為大小通常為108 1011N。force curve工作模式接觸模式工作模式接觸模式d .nm l優(yōu)點：可產(chǎn)生穩(wěn)定、高分辨圖像。優(yōu)點：可產(chǎn)生穩(wěn)定、高分辨圖像。l缺點：缺點： 可能使樣品產(chǎn)生相當(dāng)大的變形，對柔軟可能使樣品產(chǎn)生相當(dāng)大的變形，對柔軟的樣品造成破壞，以及破壞探針，嚴(yán)重影的樣品造成破壞，以及破壞探針，嚴(yán)重影響響AFM成像質(zhì)量。成像質(zhì)量。工作模式工作模式-接觸模式接觸模式

39、 相互作用力是范德華吸引力，遠(yuǎn)小于排斥力相互作用力是范德華吸引力，遠(yuǎn)小于排斥力. force curved: 520nm振幅：振幅：2nm5nm工作模式工作模式-非接觸模式非接觸模式范德華吸引力范德華吸引力 微懸臂以共振頻率振蕩，通過控制微懸臂振幅恒定來獲得微懸臂以共振頻率振蕩，通過控制微懸臂振幅恒定來獲得樣品表面信息的。樣品表面信息的。 優(yōu)點：對樣品無損傷優(yōu)點：對樣品無損傷 缺點：缺點： 1）分辨率要比接觸式的低。）分辨率要比接觸式的低。 2）氣體的表面壓吸附到樣品表面，造成圖像）氣體的表面壓吸附到樣品表面，造成圖像 數(shù)據(jù)不穩(wěn)定和對樣品的破壞。數(shù)據(jù)不穩(wěn)定和對樣品的破壞。 工作模式工作模式-非

40、接觸模式非接觸模式 介于接觸模式和非接觸模式之間介于接觸模式和非接觸模式之間: 其特點是掃描過程中微懸臂也是振蕩的并具有比非接觸模式其特點是掃描過程中微懸臂也是振蕩的并具有比非接觸模式更大的振幅更大的振幅(5100nm)，針尖在振蕩時間斷地與樣品接觸。，針尖在振蕩時間斷地與樣品接觸。 force curve振幅：振幅：5nm 100nm工作模式工作模式-輕敲模式輕敲模式 特點：特點： 1 1）分辨率幾乎同接觸模式一樣好；）分辨率幾乎同接觸模式一樣好； 2 2）接觸非常短暫，因此剪切力引起的對）接觸非常短暫，因此剪切力引起的對樣品的破壞幾乎完全消失；樣品的破壞幾乎完全消失；工作模式工作模式-輕敲

41、模式輕敲模式AFM的硬件架構(gòu)：的硬件架構(gòu)： 原子力顯微鏡原子力顯微鏡(AFM)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 分三部分：力檢測部分、位置檢測部分、反饋系統(tǒng)分三部分：力檢測部分、位置檢測部分、反饋系統(tǒng)。 力檢測部分：力檢測部分： 在在AFM系統(tǒng)中，所要檢系統(tǒng)中，所要檢測的力是原子與原子之間測的力是原子與原子之間的范德華力。所以在本系的范德華力。所以在本系統(tǒng)中是使用微小懸臂統(tǒng)中是使用微小懸臂（cantilever）來檢測原子）來檢測原子之間力的變化量。這微小之間力的變化量。這微小懸臂有一定的規(guī)格，例如：懸臂有一定的規(guī)格，例如：長度、寬度、彈性系數(shù)以長度、寬度、彈性系數(shù)以及針尖的形狀，而這些規(guī)及針尖的形狀，而這些

42、規(guī)格的選擇是依照樣品的特格的選擇是依照樣品的特性，以及操作模式的不同，性，以及操作模式的不同，而選擇不同類型的探針。而選擇不同類型的探針。cantilever tip：10nmlaser Cantilever： 100200m piezoyzxphotodiode 一般探針由一般探針由Si或或Si3N4制備。表面鍍制備。表面鍍10-50nm厚的厚的Pt，Cr， Ti， Ir等金屬制成導(dǎo)電探針；等金屬制成導(dǎo)電探針；鍍上鍍上Co，F(xiàn)e等鐵磁性等鐵磁性層即制成磁性探針；此層即制成磁性探針；此外，還有類金剛石和全外，還有類金剛石和全金剛石探針。金剛石探針。位置檢測部分：位置檢測部分： 在在AFM系統(tǒng)中

43、，當(dāng)針尖與樣品系統(tǒng)中，當(dāng)針尖與樣品之間有了交互作用之后，會使得懸臂之間有了交互作用之后，會使得懸臂（cantilever）擺動，所以當(dāng)激光照射）擺動，所以當(dāng)激光照射在在cantilever的末端時，其反射光的位的末端時，其反射光的位置也會因為置也會因為cantilever擺動而有所改變，擺動而有所改變，這就造成偏移量的產(chǎn)生。在整個系統(tǒng)這就造成偏移量的產(chǎn)生。在整個系統(tǒng)中是依靠激光光斑位置，檢測器將偏中是依靠激光光斑位置，檢測器將偏移量記錄下并轉(zhuǎn)換成電信號，以供控移量記錄下并轉(zhuǎn)換成電信號，以供控制器作信號處理。制器作信號處理。laser photodiode piezo-elementproben

44、 在原子力顯微鏡（在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，將信號經(jīng)由）的系統(tǒng)中，將信號經(jīng)由激光檢測器取入之后，在反饋系統(tǒng)中會將此信號激光檢測器取入之后，在反饋系統(tǒng)中會將此信號當(dāng)作反饋信號，作為內(nèi)部的調(diào)整信號，并驅(qū)使通當(dāng)作反饋信號，作為內(nèi)部的調(diào)整信號，并驅(qū)使通常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當(dāng)?shù)囊苿?，以常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當(dāng)?shù)囊苿?，以保持樣品與針尖保持合適的作用力。保持樣品與針尖保持合適的作用力。 反饋系統(tǒng)：反饋系統(tǒng)：n在原子力顯微鏡（在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，使用）的系統(tǒng)中，使用微小懸臂微小懸臂（cantilever）來感測針尖與樣品之間的交互作用，測得作）來感測針尖與樣品之間的交互

45、作用，測得作用力。這作用力會使用力。這作用力會使cantilever擺動，再利用激光將光照射擺動，再利用激光將光照射在在cantilever的末端，當(dāng)擺動形成時，會使反射光的位置改的末端，當(dāng)擺動形成時，會使反射光的位置改變而造成偏移量，此時激光檢測器會記錄此偏移量，也會變而造成偏移量，此時激光檢測器會記錄此偏移量，也會把此時的信號給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，最把此時的信號給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，最后再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現(xiàn)出來。后再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現(xiàn)出來。原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（AFM）便是結(jié)合以上三個部分來將樣品的表）便是結(jié)合以上三個部分來

46、將樣品的表面特性呈現(xiàn)出來的：面特性呈現(xiàn)出來的：AFM的應(yīng)用的應(yīng)用nAFM可以在大氣、真空、低溫和高溫、不同氣氛可以在大氣、真空、低溫和高溫、不同氣氛以及溶液等各種環(huán)境下工作，且不受樣品導(dǎo)電性以及溶液等各種環(huán)境下工作，且不受樣品導(dǎo)電性質(zhì)的限制，因此已獲得比質(zhì)的限制，因此已獲得比STM更為廣泛的應(yīng)用。更為廣泛的應(yīng)用。主要用途：主要用途：n1. 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體表面的高分辨成像導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體表面的高分辨成像n2. 生物樣品、有機膜的高分辨成像生物樣品、有機膜的高分辨成像n3. 表面化學(xué)反應(yīng)研究表面化學(xué)反應(yīng)研究n4. 納米加工與操縱納米加工與操縱n用用AFM觀察觀察DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu)

47、v 生物和生命科學(xué)生物和生命科學(xué)用用AFM觀察細(xì)胞生長觀察細(xì)胞生長v 生物和生命科學(xué)生物和生命科學(xué)遭瘧疾感染的人體紅血球和藍(lán)藻遭瘧疾感染的人體紅血球和藍(lán)藻 用用AFM觀察集成電路的線路刻蝕情況觀察集成電路的線路刻蝕情況v 微電子科學(xué)和技術(shù)微電子科學(xué)和技術(shù)分選和搬運分選和搬運高分子領(lǐng)域的應(yīng)用高分子領(lǐng)域的應(yīng)用聚合物膜表面形貌與相分離觀察聚合物膜表面形貌與相分離觀察 Kajiyama等人應(yīng)用等人應(yīng)用AFM研究了單分散聚苯乙烯研究了單分散聚苯乙烯(PS)/聚聚甲基丙烯酸甲酯甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混成膜的相分離情況。共混成膜的相分離情況。 膜較厚時膜較厚時(25), 看不到分相。膜厚看不到分相。膜厚100n時時,可以得到可以得到PMMA呈島狀分布在呈島狀分布在PS中的中的AFM圖象。圖象。聚合物膜表面形貌與相分離觀察聚合物膜表面形貌與相分離觀察n對非晶態(tài)聚合物膜，形貌圖信息較為有限。對非晶態(tài)聚合物膜，形貌圖信息較為有限。AFM“相成像相成像”方式方式 (phase imaging)得到的數(shù)據(jù)與樣品表面硬度和粘彈性有得到的數(shù)據(jù)與樣品表面硬度和