掃描探針顯微技術(shù)集合

掃描探針顯微技術(shù)集合第1頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5-1掃描探針顯微鏡的產(chǎn)生和歷史5-2掃描探針顯微鏡的原理5-3掃描探針顯微鏡的特點(diǎn)與應(yīng)用5-4存在的問(wèn)題及其展望5-5總結(jié)參考文獻(xiàn)第2頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六掃描探針顯微鏡的產(chǎn)生和歷史掃描探針顯微鏡產(chǎn)生的必然性

1表面結(jié)構(gòu)分析儀器的局限性1933年電子顯微鏡RuskaKnoll透射電子顯微鏡掃描電子顯微鏡場(chǎng)電子顯微鏡場(chǎng)離子顯微鏡低能電子衍射光電子能譜電子探針第3頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六掃描探針顯微鏡的產(chǎn)生和歷史低能電子衍射和X射線衍射光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡高分辨透射電子顯微鏡場(chǎng)電子顯微鏡和場(chǎng)離子顯微鏡X射線光電子能譜樣品具有周期性結(jié)構(gòu)不足分辨出表面原子用于薄層樣品的體相和界面研究只能探測(cè)在半徑小于100nm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)雜只能提供空間平均的電子結(jié)構(gòu)信息第4頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六掃描探針顯微鏡的產(chǎn)生和歷史2納米科技突飛猛進(jìn)的發(fā)展Dendrimer-likeGoldNanoparticle[3]

BiomolecularRecognitiononVerticallyAlignedCarbonNanofibers[1]

ε-Conanocrystalscoatedbyamonolayerofpoly(acrylicacid)-block-polystyrene[2]DNATranslocationinInorganicNanotubes[4]Diameter-DependentGrowthDirectionofEpitaxialSiliconNanowires[5]第5頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六掃描探針顯微鏡的產(chǎn)生和歷史掃描探針顯微鏡的產(chǎn)生掃描隧道顯微鏡1982年

人類第一次能夠?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)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。Gerd.BinnigHeinrichRohrer第6頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六掃描探針顯微鏡的產(chǎn)生和歷史掃描力顯微鏡（SFM）掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微境（SNOM）彈道電子發(fā)射顯微鏡（BEEM）原子力顯微鏡（AFM）

掃描隧道顯微鏡（STM）掃描探針顯微鏡（SPM）第7頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六掃描探針顯微鏡的產(chǎn)生和歷史掃描探針顯微鏡的發(fā)展歷史

對(duì)于掃描探針顯微術(shù)的最初研究可以追溯到上個(gè)世紀(jì)２０年代。1928年英國(guó)科學(xué)家Synge提出了掃描探針近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的概念。他提出制造一個(gè)玻璃的針尖，在這個(gè)針尖的末端有一個(gè)極小的照相機(jī)的光圈，然后用這個(gè)針尖對(duì)待測(cè)樣品作一行行的掃描。他后來(lái)也提出了對(duì)樣品進(jìn)行壓電式掃描的想法。但由于種種原因，他的工作沒有受到注意。直到1956年，O’Keefe重新研究了相同的想法。這次，O’Keefe研究了光在一個(gè)100埃的狹逢中的傳播，指出了該技術(shù)有望達(dá)到100埃的分辨率。但不幸的是，他斷言相關(guān)的技術(shù)還不成熟，實(shí)驗(yàn)方面的工作還不具有可行性，因此他放棄了進(jìn)一步的研究。Baez之后用聲波的方法一一核實(shí)了這些概念。1972年，Ash和Nicholls兩人使用3cm波長(zhǎng)的微波輻射做成了世界上第一個(gè)近場(chǎng)高分辨率掃描顯微鏡。他們達(dá)到了150微米的分辨率（波長(zhǎng)的二百分之一）.1981年IBM的Gerd.Binnig和HeinrichRohrer制成了世界上第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡，由此人類第一次獲得了原子尺度上的圖像。二人因此項(xiàng)工作獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。自此SPM的發(fā)展日新月異。第8頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六掃描探針顯微鏡的原理掃描探針顯微鏡的原理

當(dāng)探針與樣品表面間距小到納米時(shí)，按照近代量子力學(xué)的觀點(diǎn)，由于探針尖端的原子和樣品表面的原子具有特殊的作用力，并且該作用力隨著距離的變化非常顯著。當(dāng)探針在樣品表面來(lái)回掃描的過(guò)程中，順著樣品表面的形狀而上下移動(dòng)。獨(dú)特的反饋系統(tǒng)始終保持探針的力和高度恒定，一束激光從懸臂梁上反射到感知器，這樣就能實(shí)時(shí)給出高度的偏移值。樣品表面就能記錄下來(lái)，最終構(gòu)建出三維的表面圖。

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掃描探針顯微鏡(SPM)主要包括掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)兩種功能。第10頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六掃描探針顯微鏡的原理掃描隧道顯微鏡

工作原理是利用電子隧道現(xiàn)象，將樣品本身作為一具電極，另一個(gè)電極是一根非常尖銳的探針。把探針移近樣品，并在兩者之間加上電壓，當(dāng)探針和樣品表面相距只有數(shù)十埃時(shí)，由于隧道效應(yīng)在探針與樣品表面之間就會(huì)產(chǎn)生隧穿電流，并保持不變。若表面有微小起伏，那怕只有原子大小的起伏，也將使穿電流發(fā)生成千上萬(wàn)倍的變化。這些信息輸入電子計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)處理即可在熒光屏上顯示出一幅物體的三維圖像。掃描隧道顯微鏡一般用于導(dǎo)體和半導(dǎo)體表面的測(cè)定。

第11頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六掃描探針顯微鏡的原理

原子力顯微鏡

主要包括接觸模式、非接觸模式和輕敲模式。一個(gè)對(duì)力非常敏感的微懸臂，其尖端有一個(gè)微小的探針，當(dāng)探針輕微地接觸、接近或輕敲樣品表面時(shí)，由于探針尖端的原子與樣品表面的原子之間產(chǎn)生極其微弱的相互作用力而使微懸臂彎曲，將微懸臂彎曲的形變信號(hào)轉(zhuǎn)換成光電信號(hào)并進(jìn)行放大，就可以得到原子之間力的微弱變化的信號(hào)。這些信息輸入電子計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)處理即可在熒光屏上顯示出一幅物體的三維圖像。第12頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

掃描探針顯微鏡正在迅速地被應(yīng)用于科學(xué)研究的許多領(lǐng)域，如納米技術(shù)，催化新材料，生命科學(xué)，半導(dǎo)體科學(xué)等，并且取得了許多重大的科研成果.掃描探針顯微鏡的特點(diǎn)與應(yīng)用第13頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六掃描探針顯微鏡的特點(diǎn)與應(yīng)用掃描探針顯微鏡的特點(diǎn)1.分辨率高HM：高分辨光學(xué)顯微鏡；PCM：相反差顯微鏡；(S)TEM：（掃描）透射電子顯微鏡；FIM：場(chǎng)離子顯微鏡；REM：反射電子顯微鏡

橫向分辨率可達(dá)0.1nm縱向分辨率可達(dá)0.01nm第14頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六掃描探針顯微鏡的特點(diǎn)與應(yīng)用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周期性的表面結(jié)構(gòu)研究。

應(yīng)用：可用于表面擴(kuò)散等動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究。

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)表面的平均性質(zhì)。應(yīng)用：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。

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。應(yīng)用：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)程中電極表面變化的監(jiān)測(cè)等。第15頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六掃描探針顯微鏡的特點(diǎn)與應(yīng)用5、配合掃描隧道譜，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、表面勢(shì)壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等。

6、在技術(shù)本身，SPM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)便等特點(diǎn)，同時(shí)SPM的日常維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用也十分低廉。

第16頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六SFMimagesofdouble-strandedDNA(dsDNA)adsorbedonagraphitesurfacemodifiedwithCH3(CH2)11NH2molecules.Manipulationwasperformedbybringingthetipincontactwiththesurfaceandmovingitinthedesireddirection,usinghomemademanipulationhardwireandsoftwire;(a)ds-plasmidDNAmoleculesasdeposited;(b)afterstretchingtwoofthemalongthearrows’(c)aftermanipulationofthesamemoleculesintotriangles;(d)seven-letterwordwrittenwithapolydispersesampleoflineardsDNA;(e)magnifiedviewofthesquaremarkedin(b);(f)magnifiedviewofthesquaremarkedin(c)[11].掃描探針顯微鏡的其他應(yīng)用&通過(guò)顯微鏡探針可以操縱和移動(dòng)單個(gè)原子或分子掃描探針顯微鏡的特點(diǎn)與應(yīng)用雙鏈DNA吸附在石墨表面用CH3(CH2)11NH2分子改性。操作過(guò)程是這樣的，將探針與表面接觸，然后使用自制的操縱硬件向一定方向移動(dòng)。a.是雙鏈質(zhì)粒DNA分子的交存；b.其中2個(gè)順著箭頭方向拉伸之后；c.同樣的分子進(jìn)行操作后形成三角形；d.用線性雙鏈DNA的分散樣品寫的7個(gè)字母；e.放大b圖中的方塊部分；f.放大c圖中方塊的部分。第17頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六微米納米結(jié)構(gòu)表征，粗糙度，摩擦力，高度分布，自相關(guān)評(píng)估，軟性材料的彈性和硬度測(cè)試高分辨定量結(jié)構(gòu)分析以及摻雜濃度的分布等各種材料特性失效分析:缺陷識(shí)別，電性測(cè)量（甚至可穿過(guò)鈍化層）和鍵合電極的摩擦特性生物應(yīng)用:液體中完整活細(xì)胞成象，細(xì)胞膜孔隙率和結(jié)構(gòu)表征，生物纖維測(cè)量，DNA成像和局部彈性測(cè)量硬盤檢查:表面檢查和缺陷鑒定，磁疇成象，摩擦力和磨損方式，讀寫頭表薄膜表征:孔隙率分析，覆蓋率，附著力，磨損特性，納米顆粒和島嶼的分布掃描探針顯微鏡的特點(diǎn)與應(yīng)用掃描探針顯微鏡的其他應(yīng)用第18頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六存在的問(wèn)題及其展望存在的問(wèn)題

由于其工作原理是控制具有一定質(zhì)量的探針進(jìn)行掃描成像，因此掃描速度受到限制，檢測(cè)效率較其他顯微技術(shù)低；由于壓電效應(yīng)在保證定位精度前提下運(yùn)動(dòng)范圍很?。壳半y以突破100μm量級(jí)），而機(jī)械調(diào)節(jié)精度又無(wú)法與之銜接，故不能做到象電子顯微鏡的大范圍連續(xù)變焦，定位和尋找特征結(jié)構(gòu)比較困難；

目前掃描探針顯微鏡中最為廣泛使用管狀壓電掃描器的垂直方向伸縮范圍比平面掃描范圍一般要小一個(gè)數(shù)量級(jí)，掃描時(shí)掃描器隨樣品表面起伏而伸縮，如果被測(cè)樣品表面的起伏超出了掃描器的伸縮范圍，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常甚至損壞探針。因此，掃描探針顯微鏡對(duì)樣品表面的粗糙度有較高的要求；由于系統(tǒng)是通過(guò)檢測(cè)探針對(duì)樣品進(jìn)行掃描時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)推知其表面形貌，因此，探針的幾何寬度、曲率半徑及各向異性都會(huì)引起成像的失真（采用探針重建可以部分克服）。第19頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六存在的問(wèn)題及其展望最新展望和應(yīng)用

1）作為電子束發(fā)射裝置

由于STM的針尖和樣品表面間存在隧道電流作用，因此可以利用它來(lái)作彈道電子注入。通過(guò)測(cè)量這個(gè)電流，Bell和Kaiser得以測(cè)量埋在樣品表面下的肖特基勢(shì)壘的深度[12][13]。這項(xiàng)技術(shù)被稱作彈道電子發(fā)射顯微鏡（BEEM）。自此以后，彈道電子發(fā)射譜被廣泛的應(yīng)用在其他方面的研究中[12]，包括對(duì)肖特基勢(shì)壘的研究，對(duì)雙層結(jié)構(gòu)共振態(tài)的研究，CuPt型陣列的研究，量子點(diǎn)的研究上。第20頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六存在的問(wèn)題及其展望

新近發(fā)展起來(lái)一種技術(shù)叫做BEMM（彈道電子磁場(chǎng)譜）[14]，是BEEM的技術(shù)加上巨磁阻效應(yīng)。它是和‘鐵磁－非鐵磁－鐵磁薄膜－半導(dǎo)體基底’一起使用的。在恒流模式下，通過(guò)STM針尖，將電子注入到該結(jié)構(gòu)上。電子在通過(guò)第一個(gè)鐵磁薄膜時(shí)將被自旋極化。極化的電子然后進(jìn)入鐵磁金屬－半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，如果兩個(gè)鐵磁薄膜是平行磁性(P)的，則通過(guò)的效率最高，如果是反平行磁性的（AP），則通過(guò)的效率最低（巨磁阻效應(yīng)[16]）。這就我們就可以通過(guò)隧穿電流大小的變化來(lái)研究薄膜磁性、彈道電子輸運(yùn)等過(guò)程[15]。第21頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六存在的問(wèn)題及其展望

在自旋電子學(xué)方面的應(yīng)用也是振奮人心的。自旋電子學(xué)是利用電子的自旋的方向－（上或下）來(lái)表示傳統(tǒng)信息學(xué)里的0和1。目前這們新興學(xué)科所面臨的重大難題是足夠高的自旋注入效率。人們利用有磁性探頭的STM,將自旋極化的彈道電子注入金屬－半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，來(lái)研究注入效率與異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的關(guān)系[17]。人們發(fā)現(xiàn)真空的隧道結(jié)能夠有效地將自旋注入電子中，隧道結(jié)的邊界還能保存自旋極化。在100K下，用一個(gè)100％自旋極化的STM探頭作為電子源將極化的電子注入p型GaAs的表面，并同時(shí)記錄下了重組發(fā)光的極化程度，結(jié)果表明，高度自旋極化流(92％)能夠被注入GaAs[18]。第22頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六存在的問(wèn)題及其展望2）在生物學(xué)方面的應(yīng)用。

掃描探針顯微術(shù)(SPM)現(xiàn)已廣泛用于生物學(xué)研究,形成了一門新的學(xué)科—納米生物學(xué)(Nanobiology)[19]。SPM在生物方面的主要優(yōu)點(diǎn)是[19][20]：（1）它極高的三維圖像分辨率。（2）它可以在氣體和液體環(huán)境下工作。這比生物學(xué)領(lǐng)域傳統(tǒng)使用的電子顯微鏡要好得多。SPM的這項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)使得生物學(xué)的研究者可以在生物活體情況下研究生物學(xué)樣品。第23頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六存在的問(wèn)題及其展望

（3）SPM也不需要對(duì)生物體進(jìn)行重金屬著色，也不像電子顯微鏡一樣將生物體暴露在高能電子束下而帶來(lái)對(duì)有機(jī)體的極大損害。（4）SPM不依賴于你得到的樣品的數(shù)量、形式，不依賴于你是否得到晶體。舉例來(lái)說(shuō)，[19]X射線衍射方法是目前研究藻膽蛋白及其他蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的有效手段,且分辨率很高。但這一方法首先必須要求得到蛋白質(zhì)的晶體,所以,種類繁多的藻膽蛋白到目前為止僅有為數(shù)很少的幾種得到X射線衍射結(jié)果。但用STM可以直接觀察非晶體狀態(tài)下的藻膽蛋白的結(jié)構(gòu).第24頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六存在的問(wèn)題及其展望

在生物學(xué)領(lǐng)域SPM最大的不足之處：

SPM一般只能研究樣本表面部分的性質(zhì)，同時(shí)，它的掃描速度也非常低，通常每張圖片要一分鐘左右。一個(gè)普通的SPM設(shè)備的價(jià)位在常規(guī)光學(xué)顯微鏡和低端的電子顯微鏡之間。和掃描隧道顯微鏡相比，想操縱好一個(gè)電子顯微鏡，你需要擁有長(zhǎng)時(shí)間的操作經(jīng)驗(yàn)和方方面面的技巧。第25頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六總結(jié)以上是對(duì)SPM的起源發(fā)展及其工作原理的介紹，同其他的表面分析儀器相比，如光學(xué)和電子顯微鏡等，SPM有著諸多優(yōu)勢(shì)，它有其他表面分析儀器所無(wú)法比擬的分析分辨率，其納米量級(jí)上的表面形貌描述，能使人們對(duì)樣品表面有了直觀的映像。此外它不僅可以作為一種測(cè)量工具，還可以利用其合適的探針對(duì)物質(zhì)進(jìn)行加工、改性。是人們認(rèn)識(shí)微觀世界改造微觀世界的有利工具。第26頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六總結(jié)目前對(duì)于SPM的研究主要在3個(gè)方面：1，對(duì)SPM的針尖研究，針尖是SPM工作的關(guān)鍵，對(duì)于測(cè)量的分辨率起到至關(guān)重要的作用。研究新的針尖工藝，提高針尖的尖度和針尖使用壽命都是今后長(zhǎng)期研究的一個(gè)目標(biāo)；2,在SPM方面主要是對(duì)針尖偏置電壓的研究。研究如何控制偏置電壓達(dá)到一個(gè)合適的值，使得既有利于電子遷移，又不會(huì)因?yàn)殡娀瘜W(xué)反應(yīng)對(duì)針尖起到腐蝕作用；3,對(duì)于針尖和樣品表面距離的研究，如何找到合適的距離，做到既沒有降低分辨率又能很好地保護(hù)探針，延長(zhǎng)其使用壽命。第27頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六參考文獻(xiàn)[1]Baker,S.E.;Tse,K.-Y.;Hindin,E.;Nichols,B.M.;LasseterClare,T.;Hamers,R.J.;Chem.Mater.,2005,17:4971.[2]Liu,G.;Yan,X.;Lu,Z.;Curda,S.A.;Lal,J.;Chem.Mater.,2005,17:4985.[3]Pang,S.;Kondo,T.;Kawai,T.;Chem.Mater.,2005,17:3636.[4]Fan,R.;Karnik,R.;Yue,M.;Li,D.;Majumdar,A.;Yang,P.;NanoLett.,2005,5:1633.[5]Schmidt,V.;Senz,S.;Gosele,U.;NanoLett.,2005,5:931.[6]Meba-Osteritz,E.;Meyer,A.;Langeveld-Voss,B.M.W.;Janssen,R.A.J.;Meijer,E.W.;B?uerle,Angew.Chem.Int.Ed.,2000,39:2679.[7]Yang,Y.-C.;Yen,Y.-P.;Yang,L.-Y.O.;Yau,S.-L.;Itaya,K.;Langmuir,2004,20:10030.[8]Numata,K.;Hirota,T.;Kikkawa,Y.;Tsuge,T.;Iwata,T.;Abe,H.;Doi,Y.;Biomacromolecules,2004,5:2186.[9]Rong,W.Z.;Pelling,A.E.;Ryan,A.;Gimzewski,J.K.;Friedlander,S.K.;NanoLett.,2004,4:2287.[10]Maltezopoulos,T.;Kubetzka,A.;Morgenstern,M.;Wiesendanger,R.;Appl.Phys.Lett.,2003,83:1011.[11]Severin.N.;Barber,J.;Kalachev,A.A.;Rabe,J.P.;Nano.Lett.,2004,4:577.[12]M.Kemerink,K.Sauthoff,et.alPRLvol86,2404,(2001)[13]W.J.KaiserandL.D.Bell,Phys.Rev.Lett.60,1406(1988).[14]W.H.RippardandR.A.Buhrman,Appl.Phys.Lett.75,1001(1999).[15]W.H.RippardandR.A.BuhrmanPhys.Rev.Lett84,971(2000)[16]M,N.Baibitchet.alPhys.Rev.Lett61,2472(1988)[17]李林峰，劉之景，完紹龍,半導(dǎo)體技術(shù)28,7(2003)[18]LABELLAVP，BULLOCKDW，DINGZ，etalScience，2001，292：1518—1521．[19]張玉忠時(shí)東霞等生物化學(xué)與生物物理學(xué)報(bào)29，521（1997）[20]J.K.H.H?rberandM.J.Miles10.1126/science.1067410第28頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六&呈現(xiàn)原子或分子的表面特性氧化鋅薄膜的AFM圖(單位：nm)氧化鋅顆粒的顆粒比例圖（a）和粒度分布圖（b）掃描探針顯微鏡的應(yīng)用第29頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六&呈現(xiàn)原子或分子的表面特性乳膠薄膜的AFM圖(A)和三維立體圖(B)(單位:nm)AB有嚴(yán)重缺陷(A)和較為完美(B)的高分子鍍膜（單位:nm)AB掃描探針顯微鏡的應(yīng)用第30頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六a)STMimageoftheshort-rangeorderingofhead-to-tailcoupledpoly(3-dodecylthiophene)onhighlyorientedpyrolyticgraphite(20×20nm);b)calculatedmodelofpoly(3-dodecylthiophene)correspondingtotheareaenclosedinthewhitesquarein(a);c)three-dimensionalimageof3showingsubmolecularresolvedchainsandfolds(9.3×9.3nm2)[6]&呈現(xiàn)原子或分子的表面特性掃描探針顯微鏡的應(yīng)用a.高取向熱解石墨上聚乙烯3-十二烷噻吩頭尾相接，短程有序的STM圖像b.a圖中白框區(qū)域內(nèi)聚乙烯3-十二烷噻吩計(jì)算得到的模型c.亞分子鏈接和褶皺的三維立體圖像第31頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六&用于研究物質(zhì)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程(a-c)Time-sequencedconstant-current(heightmode)STMimagesshowingthenucleationandgrowthofbenzenethiol(BT)moleculesatPt(Ⅱ)potentiostatedat0.15Vin0.1MHClO4[7].掃描探針顯微鏡的應(yīng)用0.15V恒壓下，在0.1MHClO4溶液中，苯硫醇分子的晶核形成和生長(zhǎng)過(guò)程的STM圖像第32頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六&用于研究物質(zhì)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程ContinuousAFMheightimagesofmelt-crystallizedpoly[(R)-3-hydroxybutyricacid](PH3B)thinfilmbefore(A)andduring(B-F)enzymaticdegradationbyPHBdepolymerasefromRalstoniapickettiiT1at20℃[8]該圖A是聚乙烯3—羥基丁酸薄片晶體的溶解AEM圖像圖B—F是皮氏羅爾斯頓菌在phb解聚酶作用下降解的過(guò)程AFM圖像掃描探針顯微鏡的應(yīng)用第33頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六掃描探針顯微鏡的特點(diǎn)與應(yīng)用相較于其它顯微鏡技術(shù)的各項(xiàng)性能指標(biāo)比較

分辨率工作環(huán)境

樣品環(huán)境溫度對(duì)樣品

破壞程度檢測(cè)深度掃描探針顯微鏡原子級(jí)(0.1nm)實(shí)環(huán)境、大氣、溶液、真空

室溫或低溫

無(wú)

100μm量級(jí)

透射電鏡點(diǎn)分辨(0.3~0.5nm)晶格分辨(0.1~0.2nm)高真空

室溫

小

接近SEM,但實(shí)際上為樣品厚度所限，一般小于100nm.掃描電鏡6~10nm高真空

室溫

小

10mm(10倍時(shí))

1μm(10000倍時(shí))場(chǎng)離子顯微鏡

原子級(jí)

超高真空

30~80K有

原子厚度

第34頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六掃描探針顯微技術(shù)發(fā)展歷程基本工作原理掃描探針顯微技術(shù)的特性存在問(wèn)題適用范圍最新展望和應(yīng)用下一頁(yè)第35頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

顯微技術(shù)是人們認(rèn)識(shí)材料微觀結(jié)構(gòu)的重要途徑，其發(fā)展歷程是從光學(xué)顯微鏡——電子顯微鏡——掃描探針技術(shù)。一般的光學(xué)顯微鏡的分辨率250nm,掃描電子顯微鏡（橫向分辨率3－5nm），不能用來(lái)直接觀察分子和原子。掃描探針技術(shù)（STM橫向0.1－0.2nm，縱向0.01nm）,可以直接觀察分子、原子。掃描探針技術(shù)（SPM）實(shí)際上一類顯微術(shù)的總稱，都是在掃描隧道顯微鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其中最常用的有掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM），這兩種方法互為補(bǔ)充。

返回發(fā)展歷程下一頁(yè)上一頁(yè)第36頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六發(fā)展歷程

對(duì)于掃描探針顯微術(shù)的最初研究可以追溯到上個(gè)世紀(jì)２０年代。1928年英國(guó)科學(xué)家Synge提出了掃描探針近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的概念。他提出制造一個(gè)玻璃的針尖，在這個(gè)針尖的末端有一個(gè)極小的照相機(jī)的光圈，然后用這個(gè)針尖對(duì)待測(cè)樣品作一行行的掃描。他后來(lái)也提出了對(duì)樣品進(jìn)行壓電式掃描的想法。但由于種種原因，他的工作沒有受到注意。 直到1956年，O’Keefe重新研究了相同的想法。這次，O’Keefe研究了光在一個(gè)100埃的狹逢中的傳播，指出了該技術(shù)有望達(dá)到100埃的分辨率

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但不幸的是，他斷言相關(guān)的技術(shù)還不成熟，實(shí)驗(yàn)方面的工作還不具有可行性，因此他放棄了進(jìn)一步的研究。Baez之后用聲波的方法一一核實(shí)了這些概念。1972年，Ash和Nicholls兩人使用3cm波長(zhǎng)的微波輻射做成了世界上第一個(gè)近場(chǎng)高分辨率掃描顯微鏡。他們達(dá)到了150微米的分辨率（波長(zhǎng)的二百分之一）.1981年IBM的Gerd.Binnig和HeinrichRohrer制成了世界上第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡，由此人類第一次獲得了原子尺度上的圖像。二人因此項(xiàng)工作獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。自此SPM的發(fā)展日新月異。返回下一頁(yè)上一頁(yè)第38頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六返回 SPM實(shí)際上是一個(gè)很大的家族,是在掃描隧道顯微鏡(STM)發(fā)明取得巨大成就的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的各種新型顯微鏡.它們的原理都是通過(guò)檢測(cè)一個(gè)非常微小的探針(磁探針、靜電力探針、電流探針、力探針),與樣品表面的各種相互作用(電的相互作用、磁的相互作用、力的相互作用等),在納米級(jí)的尺度上研究各種物質(zhì)表面的結(jié)構(gòu)以及各種相關(guān)的性質(zhì)。因此，利用這種方法得到被測(cè)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?。刺结樀募怃J度）。下一頁(yè)掃描探針顯微技術(shù)的原理上一頁(yè)第39頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六返回

掃描隧道顯微鏡下一頁(yè)

掃描探針顯微技術(shù)的原理 工作原理是利用電子隧道現(xiàn)象，將樣品本身作為一具電極，另一個(gè)電極是一根非常尖銳的探針。把探針移近樣品，并在兩者之間加上電壓，當(dāng)探針和樣品表面相距只有數(shù)十埃時(shí)，由于隧道效應(yīng)在探針與樣品表面之間就會(huì)產(chǎn)生隧穿電流，并保持不變。若表面有微小起伏，那怕只有原子大小的起伏，也將使穿電流發(fā)生成千上萬(wàn)倍的變化。這些信息輸入電子計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)處理即可在熒光上一頁(yè)第40頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六返回屏上顯示出一幅物體的三維圖像。掃描隧道顯微鏡一般用于導(dǎo)體和半導(dǎo)體表面的測(cè)定。掃描探針顯微技術(shù)的原理掃描隧道顯微鏡下一頁(yè)上一頁(yè)第41頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六返回

原子力顯微鏡

主要包括接觸模式、非接觸模式和輕敲模式。一個(gè)對(duì)力非常敏感的微懸臂，其尖端有一個(gè)微小的探針，當(dāng)探針輕微地接觸、接近或輕敲樣品表面時(shí)，由于探針尖端的原子與樣品表面的原子之間產(chǎn)生極其微弱的相互作用力而使微懸臂彎曲，將微懸臂彎曲的形變信號(hào)轉(zhuǎn)換成光電信號(hào)并進(jìn)行放大，就可以得到原子之間力的微弱變化的信號(hào)。這些信息輸入電子計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)處理即可在熒光屏上顯示出一幅物體的三維圖像。

掃描探針顯微技術(shù)的原理下一頁(yè)上一頁(yè)第42頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六SPM的特點(diǎn)原子級(jí)高分辨率。STM在平行和垂直于樣品表面方向的分辨率分別可達(dá)0.1nm和0.01nm，即可以分辨出單個(gè)原子，具有原子級(jí)的分辨率?？蓪?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周期性的表面結(jié)構(gòu)研究及表面擴(kuò)散等動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究。可以觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，因而可直接觀察表面缺陷、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。返回下一頁(yè)上一頁(yè)第43頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六返回下一頁(yè)SPM的特點(diǎn)

可在真空、大氣、常溫，以及水和其它溶液等不同環(huán)境下工作，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)。配合掃描隧道譜STS(ScanningTunnelingSpectroscopy)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、表面勢(shì)壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等。上一頁(yè)第44頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六存在的問(wèn)題由于其工作原理是控制具有一定質(zhì)量的探針進(jìn)行掃描成像，因此掃描速度受到限制，檢測(cè)效率較其他顯微技術(shù)低；由于壓電效應(yīng)在保證定位精度前提下運(yùn)動(dòng)范圍很小（目前難以突破100μm量級(jí)），而機(jī)械調(diào)節(jié)精度又無(wú)法與之銜接，故不能做到象電子顯微鏡的大范圍連續(xù)變焦，定位和尋找特征結(jié)構(gòu)比較困難；

目前掃描探針顯微鏡中最為廣泛使用管狀壓電掃描器的垂直方向伸縮范圍比平面掃描范圍一般要小一個(gè)數(shù)量級(jí)，掃描時(shí)掃描器隨樣品表面起伏而伸縮，如果被測(cè)樣品表面的起伏超出了掃描器的伸縮范圍，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常甚至損壞返回下一頁(yè)上一頁(yè)第45頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六存在的問(wèn)題

探針。因此，掃描探針顯微鏡對(duì)樣品表面的粗糙度有較高的要求；由于系統(tǒng)是通過(guò)檢測(cè)探針對(duì)樣品進(jìn)行掃描時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)推知其表面形貌，因此，探針的幾何寬度、曲率半徑及各向異性都會(huì)引起成像的失真（采用探針重建可以部分克服）。返回下一頁(yè)上一頁(yè)第46頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六適用范圍

掃描探針顯微技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分寬廣。在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，還是材料、微電子等應(yīng)用學(xué)科都有它的用武之地。

下面簡(jiǎn)單例舉幾項(xiàng)：

納米加工技術(shù)

基于掃描探針顯微鏡的納米加工技術(shù)，包括了一種納米刻蝕技（Nanolithgraphy）。這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在納米尺度上制備產(chǎn)品。目前刻蝕圖形的線寬約10nm。返回下一頁(yè)上一頁(yè)第47頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六適用范圍

原子操縱

掃描探針顯微鏡所提供的單個(gè)原子、分子的操縱手段還可能導(dǎo)致原子級(jí)的計(jì)算機(jī)開關(guān)器件的誕生。相當(dāng)方便面地移走材料表面的某一種原子和搬來(lái)另一種原子，從而形成一種新材料。這一切在數(shù)分種內(nèi)就可以完成。這種顯微鏡最激動(dòng)人心的用途就是用于制造"原子尺寸"的計(jì)算機(jī)和毫微芯片。下一頁(yè)返回上一頁(yè)第48頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六適用范圍返回1990年IBM研究人員首次在金屬鎳表面用35個(gè)惰性氣體氙原子組成“IBM”三個(gè)英文字母。后來(lái)，又搬移近百顆鐵原子形成中文「原子」二字。此結(jié)果成為雜志及國(guó)際研討會(huì)的封面圖案。

下一頁(yè)上一頁(yè)第49頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六適用范圍 解決許多理論和實(shí)驗(yàn)上的疑難問(wèn)題下一頁(yè)硅表面77重構(gòu)圖象返回上一頁(yè)第50頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六適用范圍

用AFM得到的癌細(xì)胞的表面圖象返回下一頁(yè)上一頁(yè)第51頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六呈現(xiàn)原子或分子的表面特性

適用范圍氧化鋅薄膜的AFM圖(單位：nm)氧化鋅顆粒的顆粒比例圖（a）和粒度分布圖（b）返回下一頁(yè)上一頁(yè)第52頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六適用范圍該圖A是聚乙烯3—羥基丁酸薄片晶體的溶解AEM圖像圖B—F是皮氏羅爾斯頓菌在phb解聚酶作用下降解的過(guò)程AFM圖像下一頁(yè)ContinuousAFMheightimagesofmelt-crystallizedpoly[(R)-3-hydroxybutyricacid](PH