掃描探針顯微鏡課件

1、掃描探針顯微鏡技術(shù)及其應(yīng)用 報告人： 張智平 導(dǎo) 師： 梁鑫淼 研究員Seminar I主要內(nèi)容掃描探針顯微鏡的產(chǎn)生掃描探針顯微鏡的原理與特點掃描探針顯微鏡的應(yīng)用存在的問題及其展望掃描探針顯微鏡的產(chǎn)生的必然性1933年電子顯微鏡RuskaKnoll透射電子顯微鏡掃描電子顯微鏡場電子顯微鏡場離子顯微鏡低能電子衍射光電子能譜電子探針表面結(jié)構(gòu)分析儀器的局限性掃描探針顯微鏡的產(chǎn)生的必然性低能電子衍射和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電子顯微鏡和場離子顯微鏡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在半徑小于100nm的針尖上的原子

2、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)信息納米科技突飛猛進的發(fā)展掃描探針顯微鏡的產(chǎn)生的必然性Dendrimer-like Gold Nanoparticle3 Biomolecular Recognition on Vertically Aligned Carbon Nanofibers1 -Co nanocrystals coated by a monolayer of poly(acrylic acid)-block-polystyrene 2DNA Translocation in Inorganic Nanotubes4Diameter-Dependent Gro

3、wth Direction of Epitaxial Silicon Nanowires5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、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，被國際科學(xué)界公認為八十年代世界十大科技成就之一。掃描探針顯微鏡的產(chǎn)生掃描探針顯微鏡（SPM）掃描力顯微鏡（SFM）掃描近場光學(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）掃描探針顯微鏡的原理 當(dāng)探針與樣品表面間距小到納米級時，按照近代量子力學(xué)的觀

4、點，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)探針在樣品表面來回掃描的過程中，順著樣品表面的形狀而上下移動。獨特的反饋系統(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，這樣就能實時給出高度的偏移值。樣品表面就能記錄下來，最終構(gòu)建出三維的表面圖6 。 掃描探針顯微鏡的特點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：場離子顯微鏡；REM：反射電子顯微鏡 橫向分辨率可達0.1nm縱向分辨率可達0.01nm 2、可實時地空得到實時間中表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性

5、的表面結(jié)構(gòu)研究。 應(yīng)用：可用于表面擴散等動態(tài)過程的研究。 掃描探針顯微鏡的特點 3、可以觀察單個原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，而不是體相或整個表面的平均性質(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)，并且探測過程對樣品無損傷。 應(yīng)用：適用于研究生物樣品和在不同試驗條件下對樣品表面的評價，例如對于多相催化機理、超導(dǎo)機制、電化學(xué)反應(yīng)過程中電極表面變化的監(jiān)測等。掃描探針顯微鏡的特點 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

6、電子阱、電荷密度波、表面勢壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等。 6、在技術(shù)本身，SPM具有的設(shè)備相對簡單、體積小、價格便宜、對安裝環(huán)境要求較低、對樣品無特殊要求、制樣容易、檢測快捷、操作簡便等特點，同時SPM的日常維護和運行費用也十分低廉。 掃描探針顯微鏡的特點分辨率工作環(huán)境樣品環(huán)境溫度對樣品破壞程度檢測深度掃描探針顯微鏡原子級(0.1nm)實環(huán)境、大氣、溶液、真空 室溫或低溫 無 100m量級 透射電鏡點分辨(0.30.5nm)晶格分辨(0.10.2nm) 高真空 室溫 小 接近SEM,但實際上為樣品厚度所限，一般小于100nm. 掃描電鏡610nm 高真空 室溫 小 10mm (10倍時)1m (100

7、00倍時) 場離子顯微鏡 原子級 超高真空 3080K 有 原子厚度 相較于其它顯微鏡技術(shù)的各項性能指標比較 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.掃描探針顯微鏡的應(yīng)用掃描探針顯微鏡的應(yīng)用近五年來CA上關(guān)于SPM的論文掃描探針顯微鏡的應(yīng)用&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&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有嚴重缺陷(A)和較為完美(B)的高分子鍍膜（單位:nm

8、)AB a)STM image of the short-range ordering of head-to-tail coupled poly(3-dodecylthiophene) on highly oriented pyrolytic graphite (20 20nm); b)calculated model of poly(3-dodecylthiophene) corresponding to the area enclosed in the white square in (a); c) three-dimensional image of 3 showing submolec

9、ular resolved chains and folds (9.39.3nm2)7掃描探針顯微鏡的應(yīng)用&呈現(xiàn)原子或分子的表面特性掃描探針顯微鏡的應(yīng)用&用于研究物質(zhì)的動力學(xué)過程(a-c) Time-sequenced constant-current(height mode) STM images showing the nucleation and growth of benzenethiol (BT) molecules at Pt( ) potentiostated at 0.15V in 0.1M HClO48.掃描探針顯微鏡的應(yīng)用&用于研究物質(zhì)的動力學(xué)過程Continuous AF

10、M height images of melt-crystallized poly(R)-3-hydroxybutyric acid (PH3B) thin film before (A) and during (B-F) enzymatic degradation by PHB depolymerase from Ralstonia pickettii T1 at 20 9&檢測材料的性能掃描探針顯微鏡的應(yīng)用Schematics of the AFM experiment. (a) The AFM tip is brought into contact with the graphitic

11、aggregate layer on the surface of the silicon substrate. (b) During the approach period, several graphitic aggregates may become attached to the tip through a network structure and be stretched during the tip retraction.10掃描探針顯微鏡的應(yīng)用&檢測材料的性能a) STM image of a SWCNT end (I=300 pA, Vsample=546 mV, 45 nm

12、 319 nm). b) scanning tunneling spectroscopy(STS) data on the left-hand side of the dotted line in (a). C)STS data on the right-hand side of the dotted line in (a). d) Simultaneously recorded spatially resolved STS image, Vstab=546 mV, Istab=5300 pA and Vmod=510 mV.11掃描探針顯微鏡的應(yīng)用SFM images of double-s

13、tranded DNA (dsDNA) adsorbed on a graphite surface modified with CH3(CH2)11NH2 molecules. Manipulation was performed by bringing the tip in contact with the surface and moving it in the desired direction, using homemade manipulation hardwire and softwire; (a)ds-plasmid DNA molecules as deposited; (b

14、)after stretching two of them along the arrows (c) after manipulation of the same molecules into triangles; (d)seven-letter word written with a polydisperse sample of linear dsDNA; (e)magnified view of the square marked in (b); (f)magnified view of the square marked in (c) 12.&通過顯微鏡探針可以操縱和移動單個原子或分子掃

15、描探針顯微鏡的其它應(yīng)用微米納米結(jié)構(gòu)表征，粗糙度，摩擦力，高度分布，自相關(guān)評估，軟性材料的彈性和硬度測試高分辨定量結(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: 缺陷識別，電性測量（甚至可穿過鈍化層）和鍵合電極的摩擦特性生物應(yīng)用: 液體中完整活細胞成象，細胞膜孔隙率和結(jié)構(gòu)表征，生物纖維測量，DNA成像和局部彈性測量硬盤檢查: 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存在的問題及其展望借助其它技術(shù)手段在，難以絕對定量物質(zhì)的性質(zhì)考察物質(zhì)性質(zhì)時，SPM空間分辨率較低獲取數(shù)據(jù)速率較慢難以快速的控制原子，分子的結(jié)構(gòu)1

16、 Baker, S. E.; Tse, K.-Y.; Hindin, E.; Nichols, B. M.; Lasseter Clare, 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.; M

17、ajumdar, A.; Yang, P.; Nano Lett., 2005, 5:1633. 5 Schmidt, V.; Senz, S.; Gosele, U.; Nano Lett., 2005, 5: 931. 6 白春禮, 上?？萍汲霭嫔? 1992.7 Meba-Osteritz, E.; Meyer, A.; Langeveld-Voss, B.M.W.; Janssen, R.A.J.; Meijer, E.W.; Buerle, Angew. Chem. Int. Ed., 2000, 39:2679.8 Yang, Y.-C.; Yen, Y.-P.; Yang, L.-Y. O.; Yau, S.-L.; Itaya, K.; Langmuir, 2004, 20:10030.9 Numata, K.; Hirota, T.; Kikkawa, Y.; Tsuge, T.; Iwata, T.; Abe, H.; Doi, Y.; Biomacromolecules, 2004, 5:2186.10 Rong, W.Z.; Pell