第十一講掃描探針顯微分析-現(xiàn)代材料物理研究方法

1、掃描探針顯微鏡掃描探針顯微鏡 (Scanning Probe Microscope 簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)SPM)吳志國(guó)吳志國(guó)現(xiàn)代材料物理研究方法現(xiàn)代材料物理研究方法 第十一講第十一講掃描探針顯微鏡掃描探針顯微鏡SPM與納米科技與納米科技人類(lèi)觀察和改造世界的歷程人類(lèi)觀察和改造世界的歷程著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德費(fèi)曼的設(shè)想費(fèi)曼的設(shè)想當(dāng)歷史發(fā)展到二十世紀(jì)八十年代，一種以物理學(xué)為基礎(chǔ)、集多種現(xiàn)代當(dāng)歷史發(fā)展到二十世紀(jì)八十年代，一種以物理學(xué)為基礎(chǔ)、集多種現(xiàn)代技術(shù)為一體的新型表面分析儀器技術(shù)為一體的新型表面分析儀器掃描隧道顯微鏡（掃描隧道顯微鏡（STMSTM）誕生了。）誕生了。

2、“納米科技納米科技”一詞還是二十世紀(jì)八十年代才出現(xiàn)的，也正是一詞還是二十世紀(jì)八十年代才出現(xiàn)的，也正是SPMSPM技術(shù)技術(shù)及其應(yīng)用迅速發(fā)展的時(shí)期及其應(yīng)用迅速發(fā)展的時(shí)期第第5 5屆國(guó)際屆國(guó)際STMSTM會(huì)議與第會(huì)議與第1 1屆國(guó)際納米科技會(huì)議于屆國(guó)際納米科技會(huì)議于19901990年在美國(guó)同時(shí)召年在美國(guó)同時(shí)召開(kāi)說(shuō)明了開(kāi)說(shuō)明了SPMSPM與納米科技之間存在著必然聯(lián)系與納米科技之間存在著必然聯(lián)系SPMSPM的相繼問(wèn)世為納米科技的誕生與發(fā)展起了根本性的推動(dòng)作用，而的相繼問(wèn)世為納米科技的誕生與發(fā)展起了根本性的推動(dòng)作用，而納米科技的發(fā)展也將為納米科技的發(fā)展也將為SPMSPM的應(yīng)用提供廣闊的天地。的應(yīng)用提供廣闊

3、的天地。掃描探針顯微鏡掃描探針顯微鏡SPM與納米科技與納米科技人們饒有興趣的談?wù)摵退伎贾藗凁堄信d趣的談?wù)摵退伎贾?121世紀(jì)的科學(xué)與技術(shù)，有人說(shuō)是分子電世紀(jì)的科學(xué)與技術(shù)，有人說(shuō)是分子電子學(xué)時(shí)代，也有人說(shuō)是信息時(shí)代。實(shí)際上納米科學(xué)與技術(shù)將是構(gòu)成未子學(xué)時(shí)代，也有人說(shuō)是信息時(shí)代。實(shí)際上納米科學(xué)與技術(shù)將是構(gòu)成未來(lái)新時(shí)代的基礎(chǔ)。來(lái)新時(shí)代的基礎(chǔ)。納米科學(xué)和技術(shù)是在納米尺度上納米科學(xué)和技術(shù)是在納米尺度上(0.1nm(0.1nm1OOnm1OOnm之間之間) )研究物質(zhì)（包括研究物質(zhì)（包括原子、分子）的特性和相互作用，并且利用這些特性的多學(xué)科的高科原子、分子）的特性和相互作用，并且利用這些特性的多學(xué)科的高科

4、技。其最終目的是直接以物質(zhì)在納米尺度上表現(xiàn)出來(lái)的特性，制造具技。其最終目的是直接以物質(zhì)在納米尺度上表現(xiàn)出來(lái)的特性，制造具有特定功能的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式的飛躍。納米科學(xué)大體包括納米電有特定功能的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式的飛躍。納米科學(xué)大體包括納米電子學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米光學(xué)、納米化學(xué)子學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米光學(xué)、納米化學(xué)等領(lǐng)域。等領(lǐng)域。掃描探針顯微術(shù)掃描探針顯微術(shù)自從自從19331933年德國(guó)年德國(guó)RuskaRuska和和KnollKnoll等人在柏林制成第一臺(tái)電子顯微鏡后，等人在柏林制成第一臺(tái)電子顯微鏡后，有許多用于表面結(jié)構(gòu)分析的現(xiàn)代儀器先后問(wèn)世。如透射

5、電子顯微鏡有許多用于表面結(jié)構(gòu)分析的現(xiàn)代儀器先后問(wèn)世。如透射電子顯微鏡（TEMTEM）、掃描電子顯微鏡（）、掃描電子顯微鏡（SEMSEM）、場(chǎng)電子顯微鏡（）、場(chǎng)電子顯微鏡（FEM FEM ）、場(chǎng)離子）、場(chǎng)離子顯微鏡（顯微鏡（FIMFIM）、低能電子衍射（）、低能電子衍射（LEEDLEED）、俄歇譜儀（）、俄歇譜儀（AESAES）、）、X X射線射線光電子能譜（光電子能譜（XPSXPS）、電子探針等。這些技術(shù)在表面科學(xué)各領(lǐng)域的研）、電子探針等。這些技術(shù)在表面科學(xué)各領(lǐng)域的研究中起著重要的作用。究中起著重要的作用。但任何一種技術(shù)在應(yīng)用中都會(huì)存在這樣或那樣的局限性，例如，但任何一種技術(shù)在應(yīng)用中都會(huì)存在這

6、樣或那樣的局限性，例如，LEEDLEED及及X X射線衍射等衍射方法要求樣品具備周期性結(jié)構(gòu)，光學(xué)顯微鏡和射線衍射等衍射方法要求樣品具備周期性結(jié)構(gòu)，光學(xué)顯微鏡和SEMSEM的分辨率不足以分辨出表面原子，高分辨的分辨率不足以分辨出表面原子，高分辨TEMTEM主要用于薄層樣品的體主要用于薄層樣品的體相和界面研究，相和界面研究，F(xiàn)EMFEM和和FIMFIM只能探測(cè)在半徑小于只能探測(cè)在半徑小于100nm100nm的針尖上的原子的針尖上的原子結(jié)構(gòu)和二維幾何性質(zhì)，且制樣技術(shù)復(fù)雜，可用來(lái)作為樣品的研究對(duì)象結(jié)構(gòu)和二維幾何性質(zhì)，且制樣技術(shù)復(fù)雜，可用來(lái)作為樣品的研究對(duì)象十分有限；還有一些表面分析技術(shù)，如十分有限；還

7、有一些表面分析技術(shù)，如X X射線光電子能譜射線光電子能譜(XPS)(XPS)等只能等只能提供空間平均的電子結(jié)構(gòu)信息；有的技術(shù)只能獲得間接結(jié)果，還需要提供空間平均的電子結(jié)構(gòu)信息；有的技術(shù)只能獲得間接結(jié)果，還需要用模型來(lái)擬合。此外，上述一些分析技術(shù)對(duì)測(cè)量環(huán)境也有特殊要求，用模型來(lái)擬合。此外，上述一些分析技術(shù)對(duì)測(cè)量環(huán)境也有特殊要求，例如真空條件等。例如真空條件等。掃描探針顯微術(shù)掃描探針顯微術(shù)19821982年，國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的葛年，國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的葛賓尼（賓尼（Gerd BinnigGerd Binnig）博士和海博士和海羅雷爾羅雷爾(Heinrich Rohrer)(H

8、einrich Rohrer)博士及其同事們共同研制成功了博士及其同事們共同研制成功了世界第一臺(tái)新型的表面分析儀器世界第一臺(tái)新型的表面分析儀器掃描隧道顯微鏡（掃描隧道顯微鏡（Scanning Scanning Tunneling Microscope,Tunneling Microscope,以下簡(jiǎn)稱(chēng)以下簡(jiǎn)稱(chēng)STMSTM）。它的出現(xiàn)，使人類(lèi)第一次能）。它的出現(xiàn)，使人類(lèi)第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)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)夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)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、化學(xué)性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究的物理、化學(xué)性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生

9、命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣闊的應(yīng)用前景，被國(guó)際科學(xué)界公認(rèn)為八十年代中有著重大的意義和廣闊的應(yīng)用前景，被國(guó)際科學(xué)界公認(rèn)為八十年代世界十大科技成就之一。為表彰世界十大科技成就之一。為表彰STMSTM的發(fā)明者們對(duì)科學(xué)研究的杰出貢的發(fā)明者們對(duì)科學(xué)研究的杰出貢獻(xiàn)，獻(xiàn)，19861986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在在STMSTM出現(xiàn)以后，又陸續(xù)發(fā)展了一系列工作原理相似的新型顯微技術(shù)出現(xiàn)以后，又陸續(xù)發(fā)展了一系列工作原理相似的新型顯微技術(shù)目前以目前以STM和和AFM為代表的掃描探針顯微技術(shù)，以其獨(dú)特的性能引為代表的掃描探針顯微技術(shù)，以其獨(dú)特的性能引起了世

10、界各國(guó)科學(xué)家的極大興趣和熱情，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、微起了世界各國(guó)科學(xué)家的極大興趣和熱情，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、微電子學(xué)、生命科學(xué)等研究領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。電子學(xué)、生命科學(xué)等研究領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。 掃描探針顯微鏡的一般原理掃描探針顯微鏡的一般原理 利用探針可研究材料表面的局域性質(zhì)。讓探針在樣品表面進(jìn)行掃描的利用探針可研究材料表面的局域性質(zhì)。讓探針在樣品表面進(jìn)行掃描的同時(shí)，進(jìn)行精確的反饋控制就可獲得材料表面性質(zhì)的高分辨圖像，掃同時(shí)，進(jìn)行精確的反饋控制就可獲得材料表面性質(zhì)的高分辨圖像，掃描探針系列顯微鏡就是根據(jù)這一原理發(fā)展起來(lái)的。描探針系列顯微鏡就是根據(jù)這一原理發(fā)展起來(lái)的。 目前，目前，SP

11、M已能夠從原子尺度到微米尺度對(duì)材料表面性質(zhì)進(jìn)行廣泛的已能夠從原子尺度到微米尺度對(duì)材料表面性質(zhì)進(jìn)行廣泛的研究。我們不僅可以獲得材料表面形貌的三維高分辨圖像，在某些情研究。我們不僅可以獲得材料表面形貌的三維高分辨圖像，在某些情況下，還可以得到表面電導(dǎo)、靜電荷分布、磁性、局部摩擦學(xué)性能、況下，還可以得到表面電導(dǎo)、靜電荷分布、磁性、局部摩擦學(xué)性能、局部彈性模量等材料的許多物理性質(zhì)。局部彈性模量等材料的許多物理性質(zhì)。 SPM原理簡(jiǎn)圖原理簡(jiǎn)圖 掃描探針顯微鏡的一般原理掃描探針顯微鏡的一般原理SPMSPM系統(tǒng)主要由以下兒部分組成：系統(tǒng)主要由以下兒部分組成：(1) (1) 帶針尖的傳感元件；帶針尖的傳感元件；

12、(2) (2) 傳感元件運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置。傳感元件運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置。(3) (3) 監(jiān)控傳感元件運(yùn)動(dòng)的反饋回路；監(jiān)控傳感元件運(yùn)動(dòng)的反饋回路；(4) (4) 機(jī)械掃描系統(tǒng)機(jī)械掃描系統(tǒng)( (一般使用壓電陶瓷一般使用壓電陶瓷) )，其作用是使樣品，其作用是使樣品 進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)。進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)。(5) (5) 圖像采集及顯示系統(tǒng)，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量并實(shí)時(shí)顯示；圖像采集及顯示系統(tǒng)，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量并實(shí)時(shí)顯示；(6) (6) 圖像處理系統(tǒng)。圖像處理系統(tǒng)。掃描探針顯微鏡的一般原理掃描探針顯微鏡的一般原理SPM的結(jié)構(gòu)示意圖的結(jié)構(gòu)示意圖壓電陶瓷驅(qū)使微懸臂在壓電陶瓷驅(qū)使微懸臂在接近共振頻率處作強(qiáng)迫接近共振頻率處作強(qiáng)迫振動(dòng)，利

13、用樣品與針尖振動(dòng)，利用樣品與針尖在在10-100 nm 10-100 nm 范圍內(nèi)的范圍內(nèi)的長(zhǎng)程力長(zhǎng)程力( (如吸引的范德如吸引的范德瓦爾力、磁力、靜電力瓦爾力、磁力、靜電力等等) )，改變微懸臂的振，改變微懸臂的振動(dòng)情況，為保持振動(dòng)情動(dòng)情況，為保持振動(dòng)情況不變所加的信號(hào)反映況不變所加的信號(hào)反映表面起伏。表面起伏。SPMSPM顯微鏡名稱(chēng)顯微鏡名稱(chēng)傳感方式傳感方式縱分辨縱分辨力力橫分辨力橫分辨力技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)STMSTM掃描隧道顯微掃描隧道顯微鏡鏡隧道電流隧道電流0.01nm0.01nm0.1nm0.1nm原子分辨力、三維原子分辨力、三維像、不破壞樣品、像、不破壞樣品、任意環(huán)境任意環(huán)境AFMA

14、FM原子力顯微鏡原子力顯微鏡原子間力原子間力0.01nm0.01nm0.1nm0.1nm可測(cè)非導(dǎo)體，工作可測(cè)非導(dǎo)體，工作環(huán)境任意環(huán)境任意FFMFFM摩擦力顯微鏡摩擦力顯微鏡橫向摩擦橫向摩擦 1nm100nm離子濃度離子濃度BEEM彈道電子發(fā)射彈道電子發(fā)射顯微鏡顯微鏡電場(chǎng)電場(chǎng) 1nm測(cè)表面或界面測(cè)表面或界面STHM掃描熱顯微鏡掃描熱顯微鏡熱散失傳熱散失傳遞遞 幾十幾十nm表面溫度分布表面溫度分布STP掃描隧道電位掃描隧道電位儀儀隧道電壓隧道電壓 試件表面的電位試件表面的電位分布分布PSTM光子掃描隧道光子掃描隧道顯微鏡顯微鏡光子光子 光波波光波波長(zhǎng)長(zhǎng)光相互作用光相互作用Kelvin開(kāi)爾文顯微鏡開(kāi)

15、爾文顯微鏡 SNOM掃描近場(chǎng)光學(xué)掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡顯微鏡近場(chǎng)光學(xué)近場(chǎng)光學(xué) 30-100nm光譜分析，信息光譜分析，信息存儲(chǔ)存儲(chǔ)SNAM掃描近場(chǎng)聲顯掃描近場(chǎng)聲顯微鏡微鏡近場(chǎng)聲學(xué)近場(chǎng)聲學(xué) SPM顯微鏡名稱(chēng)顯微鏡名稱(chēng)傳感方式傳感方式縱分辨縱分辨力力橫分辨橫分辨力力技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)掃描探針顯微術(shù)掃描探針顯微術(shù)與其它表面分析技術(shù)相比，與其它表面分析技術(shù)相比，SPMSPM所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)可歸納為以下五條：所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)可歸納為以下五條：1 1、原子級(jí)高分辨率。如、原子級(jí)高分辨率。如STMSTM在平行和垂直于樣品表面方向的分辨率分別在平行和垂直于樣品表面方向的分辨率分別可達(dá)可達(dá)0.1nm0.1nm和和0.

16、01nm0.01nm，即可以分辨出單個(gè)原子，具有原子級(jí)的分辨率。，即可以分辨出單個(gè)原子，具有原子級(jí)的分辨率。掃描探針顯微鏡（掃描探針顯微鏡（SPMSPM）與其他顯微鏡技術(shù)的分辨本領(lǐng)范圍比較）與其他顯微鏡技術(shù)的分辨本領(lǐng)范圍比較HMHM：高分辨光學(xué)顯微鏡；：高分辨光學(xué)顯微鏡；PCMPCM：相反差顯微鏡；：相反差顯微鏡；(S)TEM(S)TEM：（掃描）透射電：（掃描）透射電子顯微鏡；子顯微鏡；FIMFIM：場(chǎng)離子顯微鏡；：場(chǎng)離子顯微鏡；REMREM：反射電子顯微鏡：反射電子顯微鏡掃描探針顯微術(shù)掃描探針顯微術(shù)2 2、可實(shí)時(shí)地得到實(shí)空間中表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備、可實(shí)時(shí)地得到實(shí)空間中表

17、面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)研究。這種可實(shí)時(shí)觀測(cè)的性能可用于表面擴(kuò)散等動(dòng)周期性的表面結(jié)構(gòu)研究。這種可實(shí)時(shí)觀測(cè)的性能可用于表面擴(kuò)散等動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究。態(tài)過(guò)程的研究。3 3、可以觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，而不是體相或整個(gè)表面的平均、可以觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，而不是體相或整個(gè)表面的平均性質(zhì)。因而可直接觀察到表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和性質(zhì)。因而可直接觀察到表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置，以及由吸附體引起的表面重構(gòu)等。位置，以及由吸附體引起的表面重構(gòu)等。4 4、可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作，甚至可將樣品浸在水和其、可在真空、大氣、常溫等

18、不同環(huán)境下工作，甚至可將樣品浸在水和其它溶液中，不需要特別的制樣技術(shù)，并且探測(cè)過(guò)程對(duì)樣品無(wú)損傷。這它溶液中，不需要特別的制樣技術(shù)，并且探測(cè)過(guò)程對(duì)樣品無(wú)損傷。這些特點(diǎn)適用于研究生物樣品和在不同試驗(yàn)條件下對(duì)樣品表面的評(píng)價(jià)，些特點(diǎn)適用于研究生物樣品和在不同試驗(yàn)條件下對(duì)樣品表面的評(píng)價(jià)，例如對(duì)于多相催化機(jī)理、超導(dǎo)機(jī)制、電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中電極表面變化例如對(duì)于多相催化機(jī)理、超導(dǎo)機(jī)制、電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中電極表面變化的監(jiān)測(cè)等。的監(jiān)測(cè)等。5 5、配合掃描隧道譜、配合掃描隧道譜STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)

19、可以得到可以得到有關(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、表面勢(shì)壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等。荷密度波、表面勢(shì)壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等。掃描探針顯微術(shù)掃描探針顯微術(shù)掃描探針顯微鏡（掃描探針顯微鏡（SPMSPM）與其他顯微鏡技術(shù)的各項(xiàng)性能指標(biāo)比較）與其他顯微鏡技術(shù)的各項(xiàng)性能指標(biāo)比較 分辨率分辨率工作環(huán)境工作環(huán)境樣品環(huán)境樣品環(huán)境溫度溫度對(duì)樣品對(duì)樣品破壞程度破壞程度檢測(cè)深度檢測(cè)深度掃描探針顯微掃描探針顯微鏡（鏡（SPMSPM）原子級(jí)原子級(jí)(0.1nm)(0.1nm)實(shí)環(huán)境、大氣、實(shí)環(huán)境、大氣、溶液、真空溶液、真空室溫或低溫室

20、溫或低溫 無(wú)無(wú)100m100m量級(jí)量級(jí)透射電鏡透射電鏡（TEMTEM） 點(diǎn)分辨點(diǎn)分辨(0.3-(0.3-0.5nm)0.5nm)晶格分晶格分辨辨(0.1-0.2nm)(0.1-0.2nm)高真空高真空室溫室溫小小接近接近SEM,SEM,但實(shí)際上為但實(shí)際上為樣品厚度所限，一般樣品厚度所限，一般小于小于100nm100nm掃描電鏡掃描電鏡（SEMSEM）6-10nm6-10nm高真空高真空室溫室溫小小10mm (1010mm (10倍時(shí)倍時(shí)) )1m (100001m (10000倍時(shí)倍時(shí)) )場(chǎng)離子顯微鏡場(chǎng)離子顯微鏡（FIMFIM）原子級(jí)原子級(jí)超高真空超高真空30-80K30-80K有有原子厚度

21、原子厚度此外，在技術(shù)本身，此外，在技術(shù)本身，SPMSPM具有的設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格便宜、對(duì)安具有的設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格便宜、對(duì)安裝環(huán)境要求較低、對(duì)樣品無(wú)特殊要求、制樣容易、檢測(cè)快捷、操作簡(jiǎn)便等裝環(huán)境要求較低、對(duì)樣品無(wú)特殊要求、制樣容易、檢測(cè)快捷、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，同時(shí)特點(diǎn)，同時(shí)SPMSPM的日常維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用也十分低廉，因此，的日常維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用也十分低廉，因此，SPMSPM技術(shù)一經(jīng)發(fā)技術(shù)一經(jīng)發(fā)明，就帶動(dòng)納米科技快速發(fā)展，并在很短的時(shí)間內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。明，就帶動(dòng)納米科技快速發(fā)展，并在很短的時(shí)間內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。STM 引言引言 1982 1982年，年，IBMIBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的公

22、司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的G.BinnigG.Binnig和和H.RohrerH.Rohrer共同研制成功了世界第一臺(tái)新型的表面分析儀器共同研制成功了世界第一臺(tái)新型的表面分析儀器掃描隧掃描隧道顯微鏡。它的問(wèn)世，使人類(lèi)第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察到原子道顯微鏡。它的問(wèn)世，使人類(lèi)第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察到原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理化學(xué)性在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì)，對(duì)表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)和微電子技術(shù)的研究質(zhì)，對(duì)表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)和微電子技術(shù)的研究有著重大的意義和廣闊的應(yīng)用前景，被科學(xué)界公認(rèn)為是表面有著重大的意義和廣闊的應(yīng)用前景，被科學(xué)界公認(rèn)為是表面科學(xué)

23、和表面現(xiàn)象分析技術(shù)的一次革命。為此，他們與電子顯科學(xué)和表面現(xiàn)象分析技術(shù)的一次革命。為此，他們與電子顯微鏡的創(chuàng)制者微鏡的創(chuàng)制者E.RuskaE.Ruska一起榮獲一起榮獲19861986年諾貝爾物理獎(jiǎng)。年諾貝爾物理獎(jiǎng)。 STM 引言引言與其他表面分析技術(shù)相比，與其他表面分析技術(shù)相比，STMSTM具有以下優(yōu)點(diǎn)：具有以下優(yōu)點(diǎn)： v 具有原子級(jí)分辨率。平行和垂直于表面方向的分辨率分別具有原子級(jí)分辨率。平行和垂直于表面方向的分辨率分別可達(dá)可達(dá)0.1nm0.1nm和和0.01nm0.01nm，即可以分辨出單個(gè)原子。，即可以分辨出單個(gè)原子。 v 可實(shí)時(shí)地得到在實(shí)空間中表面的三維圖像，不需要用試差可實(shí)時(shí)地得到

24、在實(shí)空間中表面的三維圖像，不需要用試差模體進(jìn)行對(duì)比計(jì)算（如模體進(jìn)行對(duì)比計(jì)算（如LEEDLEED等），因而可用于具有周期性等），因而可用于具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)。這種可以實(shí)時(shí)觀測(cè)的性能非或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)。這種可以實(shí)時(shí)觀測(cè)的性能非常有利于對(duì)表面反應(yīng)、擴(kuò)散等動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究。常有利于對(duì)表面反應(yīng)、擴(kuò)散等動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究。 STM 引言引言v 可以得到單原子層表面的局部結(jié)構(gòu)，而不是體相的平均性質(zhì)。因此可可以得到單原子層表面的局部結(jié)構(gòu)，而不是體相的平均性質(zhì)。因此可以直接觀測(cè)到局部的表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置，以直接觀測(cè)到局部的表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置，以及

25、由吸附體引起的表面重構(gòu)等。以及由吸附體引起的表面重構(gòu)等。 v 可在真空、大氣、常溫、低溫等不同條件下工作，甚至樣品可浸在水、可在真空、大氣、常溫、低溫等不同條件下工作，甚至樣品可浸在水、電解液、液氮或液氦中。不需要特別的制樣技術(shù)并且探測(cè)過(guò)程對(duì)樣品電解液、液氮或液氦中。不需要特別的制樣技術(shù)并且探測(cè)過(guò)程對(duì)樣品無(wú)損傷。這些特點(diǎn)非常適用于研究生物樣品和在不同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)樣無(wú)損傷。這些特點(diǎn)非常適用于研究生物樣品和在不同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)樣品表面的評(píng)價(jià)，例如對(duì)催化機(jī)理、超導(dǎo)材料的超導(dǎo)機(jī)制、電化學(xué)反應(yīng)品表面的評(píng)價(jià)，例如對(duì)催化機(jī)理、超導(dǎo)材料的超導(dǎo)機(jī)制、電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中電極表面變化的監(jiān)測(cè)等。過(guò)程中電極表面變化的監(jiān)測(cè)等

26、。 STM 引言引言v 在獲得樣品表面形貌的同時(shí)，亦可得到掃描隧道譜（在獲得樣品表面形貌的同時(shí)，亦可得到掃描隧道譜（STSSTS），可用它），可用它研究表面的電子結(jié)構(gòu)，如表面價(jià)電子軌道狀態(tài)、表面電子陷阱、電荷研究表面的電子結(jié)構(gòu)，如表面價(jià)電子軌道狀態(tài)、表面電子陷阱、電荷密度波、表面勢(shì)壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等。密度波、表面勢(shì)壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等。 STM 基本原理基本原理 v 掃描隧道顯微鏡的基本原理是基于掃描隧道顯微鏡的基本原理是基于量子隧道效應(yīng)。將原子線度的極細(xì)量子隧道效應(yīng)。將原子線度的極細(xì)針尖和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)針尖和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接電極，當(dāng)樣品與針尖

27、的距離非常接近時(shí)（通常小于近時(shí)（通常小于1nm1nm），在外加電場(chǎng)），在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過(guò)兩個(gè)電極之的作用下，電子會(huì)穿過(guò)兩個(gè)電極之間的絕緣層流向另一電極。這種現(xiàn)間的絕緣層流向另一電極。這種現(xiàn)象稱(chēng)為隧道效應(yīng)。象稱(chēng)為隧道效應(yīng)。 經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué)STM 基本原理基本原理STM工作時(shí)，在樣品和針尖間加一定電壓，當(dāng)樣品與針尖的距離小于工作時(shí)，在樣品和針尖間加一定電壓，當(dāng)樣品與針尖的距離小于一定值時(shí)，由于量子隧道效應(yīng)，樣品和針尖間產(chǎn)生隧道電流。在低溫一定值時(shí)，由于量子隧道效應(yīng)，樣品和針尖間產(chǎn)生隧道電流。在低溫低壓下，隧道電流低壓下，隧道電流I可近似地表達(dá)為可近似地表達(dá)為I exp-2ksI ex

28、p-2ksXZ I表示隧道電流，表示隧道電流，s表示樣品與針表示樣品與針尖間的距離，尖間的距離，k為常數(shù)。在真空隧為常數(shù)。在真空隧道條件下，道條件下，k與有效局部功函數(shù)與有效局部功函數(shù)有關(guān)，可近似表示為有關(guān)，可近似表示為 k = (2/h)(2m)1/2 m為電子質(zhì)量，為電子質(zhì)量，為有效局部功為有效局部功函數(shù)，函數(shù)，h為普朗克常數(shù)。為普朗克常數(shù)。 STM 基本原理基本原理I-sI-s有指數(shù)關(guān)系：有指數(shù)關(guān)系： I exp-2ksI exp-2ks 隧道電流在隧道電流在10109 910106 6 量級(jí)量級(jí) 當(dāng)當(dāng)s s增加增加ss時(shí)：時(shí)： I exp-2ksI exp-2ksexp-2ksexp-

29、2ks 設(shè)設(shè) s =1s =1 ，k1k1 1 1 ( 5eV)5eV) 則則 exp-2ks = eexp-2ks = e2 2 1/8 1/8 即：當(dāng)即：當(dāng)s s增加增加 1 1 時(shí)，時(shí)，I I將減少一個(gè)數(shù)量級(jí)。將減少一個(gè)數(shù)量級(jí)。STM 基本原理基本原理當(dāng)間隙當(dāng)間隙s每增加每增加0.1nm時(shí)，隧道電流時(shí)，隧道電流I將下降一個(gè)數(shù)量級(jí)。將下降一個(gè)數(shù)量級(jí)。STM工作時(shí)，針尖與樣品間的距離一般約為工作時(shí)，針尖與樣品間的距離一般約為0.4nm0.4nm，此時(shí)針尖與表面，此時(shí)針尖與表面的相互作用可以忽略不計(jì)，隧道電流的相互作用可以忽略不計(jì)，隧道電流I I可更準(zhǔn)確表達(dá)為可更準(zhǔn)確表達(dá)為 Mur表示隧道矩陣

30、元，表示隧道矩陣元，f(Eu)為費(fèi)米函數(shù)，為費(fèi)米函數(shù)，V為跨越能壘的電壓，為跨越能壘的電壓， Eu表表示狀態(tài)示狀態(tài)u u的能量，的能量，u,ru,r表示針尖和樣品表面的所有狀態(tài)。表示針尖和樣品表面的所有狀態(tài)。 Mur可表示為可表示為 )()(1)(222ruurruruEEMeVEfEfheI)(22urruurdSmMSTM 基本原理基本原理隧道電流隧道電流I并非樣品表面起伏的簡(jiǎn)單函數(shù)，它表征樣品和針尖電子波并非樣品表面起伏的簡(jiǎn)單函數(shù)，它表征樣品和針尖電子波面數(shù)的重疊程度。面數(shù)的重疊程度。 有文獻(xiàn)將隧道電流有文獻(xiàn)將隧道電流I與針尖和樣品之間距離與針尖和樣品之間距離s以及平以及平均功函數(shù)由之間

31、的關(guān)系表示均功函數(shù)由之間的關(guān)系表示 其中，其中， V Vb b為針尖與樣品之間所加的偏壓，為針尖與樣品之間所加的偏壓， 為針尖與樣品的平均功為針尖與樣品的平均功函數(shù)，函數(shù)，A為常數(shù)，在真空條件下，為常數(shù)，在真空條件下，A近似為近似為l。根據(jù)量子力學(xué)的有關(guān)理。根據(jù)量子力學(xué)的有關(guān)理論，由上式可算得：當(dāng)距離論，由上式可算得：當(dāng)距離s減少減少0.l nm時(shí)，隧道電流時(shí)，隧道電流I將增加一個(gè)數(shù)將增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，即隧道電流量級(jí)，即隧道電流I對(duì)樣品表面的微觀起伏特別敏感。對(duì)樣品表面的微觀起伏特別敏感。)exp(2/1sAVIbSTM 基本原理基本原理精度控制估算精度控制估算： 由由 I exp- 2 ksI

32、 exp- 2 ks lnI = - 2 ks + lnI = - 2 ks + 常數(shù)常數(shù) 兩邊微分兩邊微分 I/I = - 2 ksI/I = - 2 ks 若保持隧道電流若保持隧道電流 I I不變不變 I/I I/I 在在2 2之內(nèi)之內(nèi) （電路控制可達(dá)精度）（電路控制可達(dá)精度） 設(shè)設(shè) k1k11 1，則，則 s 0.01 s 0.01 表明：表明：針尖至表面距離的控制精度可達(dá)針尖至表面距離的控制精度可達(dá)0.01 0.01 STM 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)一般說(shuō)來(lái)，掃描隧道顯微鏡由掃描隧道一般說(shuō)來(lái)，掃描隧道顯微鏡由掃描隧道顯微鏡主體、控制電路、控制計(jì)算機(jī)顯微鏡主體、控制電路、控制計(jì)算機(jī)(測(cè)量軟件和數(shù)據(jù)處理軟

33、件測(cè)量軟件和數(shù)據(jù)處理軟件)三大部分組三大部分組成。掃描隧道顯微鏡主體包括針尖的平成。掃描隧道顯微鏡主體包括針尖的平面掃描機(jī)構(gòu)、樣品與針尖間距控制調(diào)節(jié)面掃描機(jī)構(gòu)、樣品與針尖間距控制調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)與外界振動(dòng)的隔離裝置。機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)與外界振動(dòng)的隔離裝置。常用的常用的STM針尖安放在一個(gè)可進(jìn)行三針尖安放在一個(gè)可進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)的壓電陶瓷支架上，維運(yùn)動(dòng)的壓電陶瓷支架上，Lx、Ly、Lz分別控制針尖在分別控制針尖在x、y、z方向上的運(yùn)方向上的運(yùn)動(dòng)。在動(dòng)。在Lx、Ly上施加電壓，便可使針上施加電壓，便可使針尖沿表面掃描；測(cè)量隧道電流尖沿表面掃描；測(cè)量隧道電流 I ，并以，并以此反饋控制施加在此反饋控制施加在Lz上

34、的電壓上的電壓Vz；再利；再利用計(jì)算機(jī)的測(cè)量軟件和數(shù)據(jù)處理軟件將用計(jì)算機(jī)的測(cè)量軟件和數(shù)據(jù)處理軟件將得到的信息在屏幕上顯示出來(lái)。得到的信息在屏幕上顯示出來(lái)。xyzBiasVoltagePositionControlFeedbackCircuitCurrentAmplifierXZ技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵 微小距離的移動(dòng)及控制壓電陶瓷微小距離的移動(dòng)及控制壓電陶瓷 位移靈敏度在位移靈敏度在 5 5 /V /V 量級(jí)量級(jí) STMSTM針尖半徑針尖半徑R 3-10 R 3-10 針尖與表面距離針尖與表面距離 2-5 2-5 防震防震STM 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)STM 實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備STM 實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備STM 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

35、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 壓電陶瓷結(jié)構(gòu)：壓電陶瓷結(jié)構(gòu)： 柱狀柱狀 管狀管狀 雙壓電陶瓷片雙壓電陶瓷片結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 三維控制的壓電陶瓷：三維控制的壓電陶瓷： PxPx和和PyPy上加周期鋸齒波電壓，使針尖沿表面上加周期鋸齒波電壓，使針尖沿表面 作光柵掃描。作光柵掃描。 利用隧道結(jié)電流利用隧道結(jié)電流I I反饋，控制加于反饋，控制加于PzPz上的電壓上的電壓來(lái)控制來(lái)控制s s，以保持，以保持I I不變。不變。 如如s I Pzs I Pz上的電壓上的電壓 PzPz伸長(zhǎng)伸長(zhǎng) ss。 V VPzPz(V(VPxPx,V,VPyPy) )曲線為樣品表面三維輪廓線。曲線為樣品表面三維輪廓線。STM 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) XYZ XYZ位移

36、器（樣品位置細(xì)調(diào)位移器（樣品位置細(xì)調(diào) 微小距離移動(dòng)的精確控制微小距離移動(dòng)的精確控制 樣品粗調(diào)樣品粗調(diào) 使針尖與表面的距離，從光學(xué)可覺(jué)察的距離使針尖與表面的距離，從光學(xué)可覺(jué)察的距離 (10- 100m) (10- 100m) 調(diào)整到調(diào)整到100 100 量級(jí)量級(jí) 爬蟲(chóng)（爬蟲(chóng)（Louse Louse ）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu) 精細(xì)螺旋機(jī)構(gòu)精細(xì)螺旋機(jī)構(gòu) 防震系統(tǒng)分析防震系統(tǒng)分析 使由振動(dòng)引起的隧道距離變化使由振動(dòng)引起的隧道距離變化 0.001 nm0.001 nm ( (振動(dòng)：針對(duì)重復(fù)性、連續(xù)的，通常頻率在振動(dòng)：針對(duì)重復(fù)性、連續(xù)的，通常頻率在1 1100Hz)100Hz)STM 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)STM 工作模式工作模式

37、STM有兩種工作方式。一種稱(chēng)為恒電流模式有兩種工作方式。一種稱(chēng)為恒電流模式:利用一套電子反饋線路利用一套電子反饋線路控制隧道電流控制隧道電流 I ，使其保持恒定。再通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制針尖在樣品，使其保持恒定。再通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制針尖在樣品表面掃描，即使針尖沿表面掃描，即使針尖沿x、y兩個(gè)方向作二維運(yùn)動(dòng)。由于要控制隧道電兩個(gè)方向作二維運(yùn)動(dòng)。由于要控制隧道電流流 I 不變，針尖與樣品表面之間的局域高度也會(huì)保持不變，因而針尖不變，針尖與樣品表面之間的局域高度也會(huì)保持不變，因而針尖就會(huì)隨著樣品表面的高低起伏而作相同的起伏運(yùn)動(dòng)，高度的信息也就就會(huì)隨著樣品表面的高低起伏而作相同的起伏運(yùn)動(dòng)，高度的信息也就由

38、此反映出來(lái)。這就是說(shuō)，由此反映出來(lái)。這就是說(shuō)，STM得到了樣品表面的三維立體信息。這得到了樣品表面的三維立體信息。這種工作方式獲取圖象信息全面，顯微圖象質(zhì)量高，應(yīng)用廣泛。種工作方式獲取圖象信息全面，顯微圖象質(zhì)量高，應(yīng)用廣泛。STM 工作模式工作模式另一種工作模式是恒高度工作另一種工作模式是恒高度工作:在對(duì)樣品進(jìn)行掃描過(guò)程中保持針尖的在對(duì)樣品進(jìn)行掃描過(guò)程中保持針尖的絕對(duì)高度不變；于是針尖與樣品表面的局域距離絕對(duì)高度不變；于是針尖與樣品表面的局域距離 s 將發(fā)生變化，隧道將發(fā)生變化，隧道電流電流I的大小也隨著發(fā)生變化；通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄隧道電流的變化，并的大小也隨著發(fā)生變化；通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄隧道電流的變

39、化，并轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)顯示出來(lái)，即得到了轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)顯示出來(lái)，即得到了STM顯微圖像。這種工作方式僅顯微圖像。這種工作方式僅適用于樣品表面較平坦、且組成成分單一適用于樣品表面較平坦、且組成成分單一(如由同一種原子組成如由同一種原子組成)的情的情形。形。 從從STM的工作原理可以看到：的工作原理可以看到：STM工作的特點(diǎn)是利用針尖掃描樣品工作的特點(diǎn)是利用針尖掃描樣品表面，通過(guò)隧道電流獲取顯微圖像，而不需要光源和透鏡。這正是得表面，通過(guò)隧道電流獲取顯微圖像，而不需要光源和透鏡。這正是得名名掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡的原因。的原因。1 1表面形貌測(cè)量及其分辨率表面形貌測(cè)量及其分辨率 假設(shè)樣品表面存

40、在陡變臺(tái)階，由于針尖半徑假設(shè)樣品表面存在陡變臺(tái)階，由于針尖半徑R R有一定尺寸，針尖的軌跡將有一過(guò)渡區(qū)有一定尺寸，針尖的軌跡將有一過(guò)渡區(qū)。與與 R R、s s 和和 k k 有如下近似關(guān)系：有如下近似關(guān)系： R R：針尖半徑：針尖半徑 S S：針尖至表面距離：針尖至表面距離 若若 R = 3 R = 3 , s = 2 , s = 2 , k = 1 , k = 1 -1-1 則則 1.6 1.6 ( (分辨率分辨率) ) 只有在表面各處逸出功相同時(shí)，針尖在只有在表面各處逸出功相同時(shí)，針尖在z z方向的方向的位移才表示樣品外形的起伏。位移才表示樣品外形的起伏。ksR2K = K = = (1/

41、2)( = (1/2)(1 1+2 2) )m2掃描隧道顯微鏡的應(yīng)用掃描隧道顯微鏡的應(yīng)用2逸出功的測(cè)量逸出功的測(cè)量 由由 I exp- 2 ksI exp- 2 ks I/I = - 2 ks I/I = - 2 ks I/s = 2Ik I/s = 2Ik 若若I I保持不變保持不變 則：則：dI/ds kdI/ds k1/21/2 工作方式工作方式： 掃描中保持掃描中保持I I不變，使不變，使s s有一交流調(diào)制，有一交流調(diào)制，dI/ds dI/ds 隨隨x,yx,y變化。變化。dI/ds(x,y)dI/ds(x,y)平方后即為逸出功象。平方后即為逸出功象。3 3掃描隧道譜掃描隧道譜(STS

42、)(STS) 在表面的某個(gè)位置作在表面的某個(gè)位置作I-V I-V 或或dI/dVdI/dVV V，得有特征峰，得有特征峰的的STSSTS。在特征峰電壓處，保持平均電流不變，使針。在特征峰電壓處，保持平均電流不變，使針尖在尖在X X、Y Y平面平面掃描，測(cè)掃描，測(cè)dI/dVdI/dV隨隨x,yx,y的變化，得掃描隧的變化，得掃描隧道譜象。道譜象。 表面的電子性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)在表面的電子性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)在I-VI-V和和dI/dVdI/dVV V 曲線中。曲線中。STM 應(yīng)用說(shuō)明應(yīng)用說(shuō)明v 水平分辨率水平分辨率: 0.1 : 0.1 nmnm；縱向分辨率縱向分辨率: 0.001 : 0.001

43、 nmnmv 如樣品表面原子種類(lèi)不同，或樣品表面吸附有原子、分子時(shí)，由于不同種類(lèi)如樣品表面原子種類(lèi)不同，或樣品表面吸附有原子、分子時(shí)，由于不同種類(lèi)的原子或分子團(tuán)等具有不同的電子態(tài)密度和功函數(shù)，此時(shí)的原子或分子團(tuán)等具有不同的電子態(tài)密度和功函數(shù)，此時(shí)STMSTM給出的等電子態(tài)給出的等電子態(tài)密度輪廓不再對(duì)應(yīng)于樣品表面原子的起伏，而是表面原子起伏與不同原子各密度輪廓不再對(duì)應(yīng)于樣品表面原子的起伏，而是表面原子起伏與不同原子各自態(tài)密度組合后的綜合效果。自態(tài)密度組合后的綜合效果。v 在在VbVb和和I I保持不變的掃描過(guò)程中，如果功函數(shù)隨樣品表面的位置而異，也同樣保持不變的掃描過(guò)程中，如果功函數(shù)隨樣品表面的

44、位置而異，也同樣會(huì)引起探針高度（會(huì)引起探針高度（VzVz）的變化。）的變化。 v STMSTM不能區(qū)分這兩個(gè)因素，但用不能區(qū)分這兩個(gè)因素，但用STSSTS方法可將此兩因素區(qū)分開(kāi)來(lái)。利用表面功方法可將此兩因素區(qū)分開(kāi)來(lái)。利用表面功函數(shù)、偏置電壓函數(shù)、偏置電壓VbVb與隧道電流之間的關(guān)系，可以得到表面電子態(tài)和化學(xué)特性與隧道電流之間的關(guān)系，可以得到表面電子態(tài)和化學(xué)特性的有關(guān)信息。的有關(guān)信息。v 對(duì)于非導(dǎo)體或針尖有沾污的情況，不能進(jìn)行正確的測(cè)量。對(duì)于非導(dǎo)體或針尖有沾污的情況，不能進(jìn)行正確的測(cè)量。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 能測(cè)量絕緣體的表面形貌能測(cè)量絕緣體的表面形貌 (STM(STM不能不能) ) 測(cè)量表面原子間的

45、力測(cè)量表面原子間的力 測(cè)量彈性、塑性、硬度等測(cè)量彈性、塑性、硬度等 原子力顯微鏡原子力顯微鏡(AFM)(AFM)Atomic Force MicroscopeAtomic Force MicroscopeBinnig, Quate,和和Gerber等人等人1986年在斯坦福大學(xué)發(fā)明了新一代年在斯坦福大學(xué)發(fā)明了新一代SPM-原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（AFM）。當(dāng)時(shí)的）。當(dāng)時(shí)的AFM橫向分辨率已經(jīng)可以達(dá)到橫向分辨率已經(jīng)可以達(dá)到2nm，縱向分辨率為縱向分辨率為0.01nm，這樣的分辨率超過(guò)了普通掃描電子顯微鏡。而，這樣的分辨率超過(guò)了普通掃描電子顯微鏡。而且且AFM對(duì)工作環(huán)境和樣品制備的要求比電鏡要

46、小的多。對(duì)工作環(huán)境和樣品制備的要求比電鏡要小的多。 AFM AFM 工作原理工作原理 微懸臂一端固定，另一端有一微小針尖。微懸臂一端固定，另一端有一微小針尖。 針尖與表面輕輕接觸針尖與表面輕輕接觸( (斥力斥力:10:108 810106 6N)N)。 樣品掃描，保持樣品與針尖間作用力恒定樣品掃描，保持樣品與針尖間作用力恒定( (樣品與針尖間距離樣品與針尖間距離不變不變) )。測(cè)得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，從而獲得樣品形。測(cè)得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，從而獲得樣品形貌信息。貌信息。利用了原子間的力利用了原子間的力 關(guān)鍵技術(shù)：關(guān)鍵技術(shù)：微懸臂微懸臂及其及其位移檢測(cè)位移檢測(cè)AFM-AF

47、M-工作模式工作模式常見(jiàn)的常見(jiàn)的AFM操作模式有四種。第一種是恒力模式，即通過(guò)反饋回路操作模式有四種。第一種是恒力模式，即通過(guò)反饋回路保持探針與樣品表面距離不變，原子間作用力不變，這種模式使用最保持探針與樣品表面距離不變，原子間作用力不變，這種模式使用最廣。第二種是變化的形變模式，在掃描過(guò)程中，檢測(cè)器直接測(cè)量微懸廣。第二種是變化的形變模式，在掃描過(guò)程中，檢測(cè)器直接測(cè)量微懸臂的形變量，這種模式因?yàn)闆](méi)有使用反饋回路而具有更高的掃描速度。臂的形變量，這種模式因?yàn)闆](méi)有使用反饋回路而具有更高的掃描速度。第三種是恒梯度模式，微懸臂是振動(dòng)的，檢測(cè)器通過(guò)鎖相技術(shù)來(lái)測(cè)量第三種是恒梯度模式，微懸臂是振動(dòng)的，檢測(cè)器

48、通過(guò)鎖相技術(shù)來(lái)測(cè)量信號(hào)。調(diào)制頻率選在懸臂機(jī)械共振頻率附近?？刂莆冶壅穹愣尚盘?hào)。調(diào)制頻率選在懸臂機(jī)械共振頻率附近?？刂莆冶壅穹愣杀３止舱耦l率保持共振頻率f1恒定。由于關(guān)系式恒定。由于關(guān)系式 ，其中，其中F是力梯度，是力梯度，k是是微懸臂的彈性系數(shù)，探針將沿恒力梯度軌跡線運(yùn)動(dòng)。第四種是譜學(xué)模微懸臂的彈性系數(shù)，探針將沿恒力梯度軌跡線運(yùn)動(dòng)。第四種是譜學(xué)模式，力式，力-距離曲線一般是在掃描范圍內(nèi)選取的幾點(diǎn)上測(cè)量得到的。距離曲線一般是在掃描范圍內(nèi)選取的幾點(diǎn)上測(cè)量得到的。 根據(jù)針尖根據(jù)針尖-樣品間作用力樣品間作用力(引力或斥力引力或斥力)的不同，的不同，AFM主要有三種成像主要有三種成像模式：接

49、觸模式模式：接觸模式(Contact mode)、非接觸模式、非接觸模式(Non-Contact mode)和和輕敲式（輕敲式（Tapping mode）。）。 1FkfAFM-AFM-工作模式工作模式（l）接觸區(qū)，小于幾個(gè)埃，）接觸區(qū)，小于幾個(gè)埃，（2）非接觸區(qū)域，從幾十埃到幾百埃。）非接觸區(qū)域，從幾十埃到幾百埃。在接觸區(qū)域，針尖原子與樣在接觸區(qū)域，針尖原子與樣非接觸區(qū)非接觸區(qū)域域品表面原子間為排斥力，在非接觸品表面原子間為排斥力，在非接觸區(qū)域，則為吸引力。區(qū)域，則為吸引力。在接觸模式下，針尖與樣品的間距非在接觸模式下，針尖與樣品的間距非常小，基本上是緊密接觸的。由于這常小，基本上是緊密接觸

50、的。由于這時(shí)針尖尖端原子與樣品表面原子的電時(shí)針尖尖端原子與樣品表面原子的電子云發(fā)生重疊，庫(kù)侖排斥力（約為子云發(fā)生重疊，庫(kù)侖排斥力（約為10-810-11N）將平衡幾乎所有可能使兩）將平衡幾乎所有可能使兩個(gè)原子接近的力，樣品的形貌圖像即個(gè)原子接近的力，樣品的形貌圖像即可采用這種斥力模式獲得。接觸模式可采用這種斥力模式獲得。接觸模式通?？梢援a(chǎn)生穩(wěn)定、高分辨的圖像。通常可以產(chǎn)生穩(wěn)定、高分辨的圖像。 非接觸區(qū)域接觸區(qū)距離力吸引力排斥力針尖-樣品間力-距離曲線在非接觸模式下，針尖在樣品表面在非接觸模式下，針尖在樣品表面上方上方520nm距離處掃描，針尖距離處掃描，針尖-樣樣品間作用力是很弱的長(zhǎng)程力品間作

51、用力是很弱的長(zhǎng)程力范德范德華吸引力。由于吸引力遠(yuǎn)小于排斥華吸引力。由于吸引力遠(yuǎn)小于排斥力，為提高信噪比，必須在針尖上力，為提高信噪比，必須在針尖上加一小的振蕩信號(hào)，以便加一小的振蕩信號(hào)，以便AC檢測(cè)方檢測(cè)方式能夠用來(lái)檢測(cè)針尖式能夠用來(lái)檢測(cè)針尖-樣品間較小的樣品間較小的作用力。作用力。AFM-AFM-工作模式工作模式輕敲模式是新發(fā)展起來(lái)的成像技術(shù)，介于接觸模式和非接觸模式之間。輕敲模式是新發(fā)展起來(lái)的成像技術(shù)，介于接觸模式和非接觸模式之間。其特點(diǎn)是掃描過(guò)程中微懸臂也是振蕩的并具有比非接觸模式更大的振其特點(diǎn)是掃描過(guò)程中微懸臂也是振蕩的并具有比非接觸模式更大的振幅（幅（20nm），針尖在振蕩時(shí)間斷地與

52、樣品接觸。由于針尖同樣品接），針尖在振蕩時(shí)間斷地與樣品接觸。由于針尖同樣品接觸，分辨率幾乎同接觸模式一樣好；同時(shí)由于接觸非常短暫，因此剪觸，分辨率幾乎同接觸模式一樣好；同時(shí)由于接觸非常短暫，因此剪切力引起的對(duì)樣品的破壞幾乎完全消失，克服了常規(guī)掃描模式的局限。切力引起的對(duì)樣品的破壞幾乎完全消失，克服了常規(guī)掃描模式的局限。 接觸模式非接觸模式輕敲模式AFM的三種掃描方式AFM-AFM-工作模式工作模式要獲得高分辨、高質(zhì)量圖像，關(guān)鍵因素是針尖同樣品表面輕微接觸然要獲得高分辨、高質(zhì)量圖像，關(guān)鍵因素是針尖同樣品表面輕微接觸然而又不破壞被掃描表面。在而又不破壞被掃描表面。在AFM對(duì)軟、粘性或脆性樣品研究中

53、，輕對(duì)軟、粘性或脆性樣品研究中，輕敲模式成像技術(shù)的發(fā)展是至關(guān)重要的。對(duì)那些易損傷而且基底結(jié)合松敲模式成像技術(shù)的發(fā)展是至關(guān)重要的。對(duì)那些易損傷而且基底結(jié)合松散或者用其他散或者用其他AFM技術(shù)成像困難的樣品，用輕敲式可以進(jìn)行高分辨技術(shù)成像困難的樣品，用輕敲式可以進(jìn)行高分辨表面分析。更值得一提的是，輕敲模式克服了與摩擦、粘附、靜電力表面分析。更值得一提的是，輕敲模式克服了與摩擦、粘附、靜電力有關(guān)的問(wèn)題，解決了困擾常規(guī)有關(guān)的問(wèn)題，解決了困擾常規(guī)AFM掃描方法的困難。利用輕敲模式掃描方法的困難。利用輕敲模式已經(jīng)獲得相當(dāng)多的樣品的高分辨圖像，包括：硅片表面、薄膜、金屬、已經(jīng)獲得相當(dāng)多的樣品的高分辨圖像，包

54、括：硅片表面、薄膜、金屬、和絕緣體、感光樹(shù)脂、高聚物和生物樣品等。輕敲模式對(duì)這些樣品表和絕緣體、感光樹(shù)脂、高聚物和生物樣品等。輕敲模式對(duì)這些樣品表面結(jié)構(gòu)的研究，極大地?cái)U(kuò)展了面結(jié)構(gòu)的研究，極大地?cái)U(kuò)展了AFM技術(shù)在新材料方面的應(yīng)用領(lǐng)域。技術(shù)在新材料方面的應(yīng)用領(lǐng)域。 AFM-AFM-工作模式工作模式大氣條件下，大多數(shù)樣品表面都吸附有一覆蓋層（凝聚水蒸氣或其它大氣條件下，大多數(shù)樣品表面都吸附有一覆蓋層（凝聚水蒸氣或其它有機(jī)污染物），一般有幾納米厚。當(dāng)掃描探針接觸這個(gè)吸附層時(shí)，毛有機(jī)污染物），一般有幾納米厚。當(dāng)掃描探針接觸這個(gè)吸附層時(shí)，毛細(xì)作用使其產(chǎn)生凹面，并且表面張力使針尖向下進(jìn)入這一吸附層。這細(xì)作用使其產(chǎn)生凹面，并且表面張力使針尖向下進(jìn)入這一吸附層。這將影響將影響AFM成像質(zhì)量。將樣品浸