各式掃描探針顯微鏡

各式掃描探針顯微鏡第1頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一目錄掃描探針顯微術(shù)(SPM)簡介掃描穿遂顯微術(shù)(STM)原子力顯微術(shù)

(AFM)橫向力顯微術(shù)(LFM)磁力顯微術(shù)(MFM)總結(jié)參考資料第2頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一掃描探針顯微術(shù)(SPM)簡介

掃描探針顯微技術(shù)（SPM）具有原子級表面形狀解析度，並可檢測多種奈米級表面特性，如力學(xué)特性、磁性、電性、熱性、光特性等，許多研究學(xué)者已將掃描探針顯微技術(shù)廣為應(yīng)用在奈米尺度至微米尺度的表面量測。掃描探針顯微技術(shù)（SPM）主要優(yōu)點包括儀器體積小、樣品無須特殊處理，可在任何環(huán)境下進(jìn)行處理等優(yōu)點；其主要缺點則是掃描速度慢、資料重現(xiàn)率差及缺乏成份分析功能等。第3頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一掃描穿遂顯微術(shù)(STM)第4頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一STM之簡介STM全名為ScanningTunnelingMicroscopy，是在金屬探針及導(dǎo)電樣品間加上小電壓，並將兩者距離維持在數(shù)埃至數(shù)十埃間，使探針尖端原子團(tuán)與樣品表面的量子穿隧電流保持定值，而測得表面結(jié)構(gòu)形狀，具有原子解析度。

在SPM技術(shù)中具有最佳解析度，但由於無法在非導(dǎo)體上操作，故目前主要應(yīng)用於基礎(chǔ)性學(xué)術(shù)研究。第5頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一

掃描穿隧顯微儀之主要原理是利用金屬針尖在樣品之表面上進(jìn)行掃描，根據(jù)量子穿隧效應(yīng)產(chǎn)生穿隧電流，由於產(chǎn)生之穿隧電流主要發(fā)生於針尖上最突出的一顆原子上，因此STM具有原子級的橫向解析力，利用穿隧電流作為測量訊號，即可獲得樣品表面之圖像，因此探針與樣品必須能導(dǎo)電，同時樣品表面必須平整，如此STM的應(yīng)用範(fàn)圍因而受到限制。

STM之工作原理第6頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一STM之基礎(chǔ)架構(gòu)第7頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一穿遂效應(yīng)

電子穿隧現(xiàn)象乃量子物理的重要內(nèi)函之一，在古典力學(xué)中，一個處於位能較低的粒子，根本不可能躍過能量障礙到達(dá)另一邊，如下圖所示。除非粒子的動能超過Vo，才有可能。但以量子物理的觀點來看，卻有此可能性。所謂的「穿隧效應(yīng)」，就是指粒子可穿過比本身總能高的能量障礙。穿隧的機(jī)率和距離有關(guān)，距離愈近，穿隧的機(jī)率愈大。當(dāng)兩個電極，相距在幾個原子大小的範(fàn)圍時，電子能從一極穿隧到另一極，穿隧的機(jī)率和兩極的間距成指數(shù)反比的關(guān)係。

第8頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一STM之工作模式一、定電流取像法：以設(shè)定的穿隧電流(約1nA)為回饋訊號。由於探針與樣品表面的間距，和穿隧電流有十分靈敏的關(guān)係，設(shè)定穿隧電流值，即鎖定探針和樣品表面之間距。當(dāng)探針在樣品表面掃描時，探針必須隨表面之起伏調(diào)整其高度(即z值)；因此，以探針的高度變化來呈像，就反映出樣品表面的形貌。二、定高度取像法：直接以穿隧電流值來呈像。當(dāng)探針以固定的高度掃描樣品表面時，由於表面的高低變化，導(dǎo)致探針和樣品表面的間距變化，穿隧電流值也隨之改變。定電流模式定高模式第9頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一STM之掃描模式優(yōu)缺點比較模式原理優(yōu)缺點定電流模式探針保持固定的電流值，而隨著樣品表面之起伏調(diào)整其高度；因此，以探針的高度變化來作為樣品表面的呈像方式。優(yōu)點：可掃描較大的高低變化。缺點：以回饋信號作為調(diào)制，掃描速度較慢，易受低頻雜訊干擾。定高度模式探針以固定的設(shè)定高度，直接以穿隧電流值的變化來作為表面形態(tài)的呈像。優(yōu)點：可快速掃描以補(bǔ)捉一些表面動態(tài)。缺點：若掃描範(fàn)圍內(nèi)的樣品表面起伏太大，則極容易損壞探針。電流密度模式結(jié)合上述兩種方法，並且引進(jìn)偏壓調(diào)變作為取像之變數(shù)。缺點：回饋系統(tǒng)必須不斷地開關(guān)，較費(fèi)時（一般約需幾分鐘），記憶體容量的需求大。第10頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一STM之應(yīng)用利用STM進(jìn)行原子表面修飾和單原子操縱，具有十分廣泛的應(yīng)用前景。它已經(jīng)在製作單分子、單原子和單電子器件，大幅度提高資訊儲存量，生命科學(xué)中的物種再造，以及材料科學(xué)中的新原子結(jié)構(gòu)材料的創(chuàng)製等領(lǐng)域，都有很深刻的應(yīng)用背景。單原子操縱主要包括三個部分，即單原子的移動、提取和放置，這些技術(shù)也是今後應(yīng)用單原子操縱，在表面上進(jìn)行原子尺度的結(jié)構(gòu)甚至器件加工所必須的。原子操縱術(shù)最主要的應(yīng)用是，奈米級或原子級結(jié)構(gòu)的製造，在這方面一個直接的用途是，記憶體的製造與讀取，前述IBM科學(xué)家展示搬移氙原子的能力，就可視為原子級記憶體的製造與讀取，每個有原子的位置相當(dāng)於零。這樣的記憶體密度是前所未有的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)今半導(dǎo)體及磁碟的記憶密度；而且STM可輕易取得這些原子影像，相當(dāng)於原子級位元資料的讀取，此讀取密度也是其他技術(shù)所無法比擬的。

第11頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一原子操縱術(shù)1990年IBM研究人員首度在金屬鎳表面用35個惰性氣體氙原子組成“IBM”三個英文字母。後來，又搬移近百顆鐵原子形成中文「原子」二字。此結(jié)果成為雜誌及國際研討會的封面圖案。

第12頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一原子力顯微鏡

(AFM)第13頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一AFM之簡介

AFM全名為AtomicForceMicroscopy原子力顯微鏡，其主要以量測原子間凡得瓦力為主，來得到表面原子排列的圖像，又可適用於各種的樣品，不分導(dǎo)體或非導(dǎo)體，因此消除STM對試片必須要為導(dǎo)體及表面必須平整的要求限制。第14頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一AFM之工作原理利用探針與表面原子之作用力，造成懸臂樑偏移，進(jìn)而得到原子影像。四象限光檢測器雷射二極體懸臂樑試片第15頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一AFM之基礎(chǔ)架構(gòu)

當(dāng)以低功率雷射光打在懸臂末端上，利用一組感光二極體偵測器，測量雷射光反射角度的變化。當(dāng)探針掃描過樣品表面時，由於反射的雷射光角度的變化，感光二極體之電流也會隨之不同，藉由量測電流的變化，可推算出懸臂被彎曲或歪斜的程度，經(jīng)輸入電腦計算，可產(chǎn)生樣品表面三維空間的影像。

第16頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一AFM掃描模式比較掃描模式基本原理優(yōu)缺點比較接觸式(2-3nm)在圖像掃描時，針尖與樣品表面輕輕接觸，原子間產(chǎn)生極微弱的排斥力，使探針偏移，用反饋來控制力為定值，而獲得探針對應(yīng)於掃描各點的位置變化，從而得到樣品表面形貌的圖像。接觸面積小，但過大的作用力會損壞樣品，尤其是對軟性材質(zhì)。不過，較大的作用力，通常會得到較佳的解析度，所以選擇較適當(dāng)?shù)淖饔昧?，便十分重要。由於排斥力對距離非常敏感，所以較易得到原子解析度。非接觸式(低於20nm)利用原子間遠(yuǎn)距吸引力─凡得瓦力來進(jìn)行檢測，不過此吸引力對距離的變化率非常小，必須使用調(diào)變技術(shù)來增加訊號對雜訊比。由於探針和樣品間沒有接觸，樣品沒有被損壞的顧慮，但受空氣中樣品表面水膜的影響，其解析度一般只有50nm，而在超高真空中則可得原子級解析度。輕敲式(5nm)以探針振盪方式，探針在試片上跳動，當(dāng)探針振盪至波谷時，微接觸樣品。由於樣品的表面不平，原子間作用力使探針振幅改變，利用回饋控制，便能取得高度影像。解析度介於接觸式與非接觸式之間，且破壞樣品的機(jī)率大為降低。但由於高頻率探針敲擊，對很硬的樣品，探針針尖可能受損，甚至留下殘餘物在試片表面。第17頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一

AFM探針與量測結(jié)果比較接觸式掃描成像敲拍式掃瞄成像經(jīng)敲拍式量測之後探針尖端損耗第18頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一AFM之運(yùn)用

下圖為使用AFM尖端，對病毒分子進(jìn)行彎曲與旋轉(zhuǎn)動作之實驗。圖(A)到(D)則為探針對分子進(jìn)行逆時針旋轉(zhuǎn)的實驗，黑色箭頭則為施力方向。(A)為起始狀態(tài)；(D)為旋轉(zhuǎn)動作結(jié)束後的影像第19頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一利用AFM做力量之量測

下圖為以AFM之尖端，進(jìn)行DNA切斷的力量量測實驗之影像圖。圖(a)中的箭頭方向表示探針的移動方向（由右向左切劃），而圖(b)則表示切劃過後，所留下的一個15nm的空隙(DNA分子長度為372nm)。

15nm第20頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一(LFM)側(cè)向原子力顯微鏡第21頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一LFM之簡介LFM全名為LateralForceMicroscopy側(cè)向原子力顯微鏡，是掃描探針顯微儀的一種，它的作用方式主要是使探針與樣品表面接觸並在表面上平移，利用探針移動時所承受樣品表面摩擦力以及樣品表面高低起伏造成懸臂的偏斜量來探知樣品的材質(zhì)與表面特性。第22頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一LFM之工作原理施加的正向力探針-樣本之間的吸引力照成視為動摩擦係數(shù)側(cè)向力：：：：第23頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一探針受力狀況探針受不同表面時所發(fā)生情況第24頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一LFM量測結(jié)果

ThesampleisthemonolayerLangmuir-Blodgett(LB)filmdepositedonsiliconsurface.Itwasobtainedbyscanningfromlefttorightineachscanline(thefastscanningdirection).Theoppositefastscanningdirection(fromrighttoleft)leadstoinverseimage.第25頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一(MFM)磁力顯微鏡第26頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一MFM之簡介

MFM全名MagneticForceMicroscopy磁力顯微鏡，它是指利用磁性探針與樣品間的磁交互作用，去取得表面磁化結(jié)構(gòu)的表面檢測技術(shù)。第27頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一MFM之工作原理主要的裝置與原子力顯微鏡相同，不同的地方在於所使用磁性探針及掃出影像的作用力為磁力梯度變化?；驹硎抢么判蕴结樅痛判詷悠繁砻骈g的磁作用力來感應(yīng)磁力梯度之變化，樣品表面產(chǎn)生的游離磁場會作用在磁性探針上；且利用偏移感測器偵測探針偏移，因此能測出作用力或作用力強(qiáng)度梯度的變化。採取兩段式掃描，利用原子力顯微鏡得到樣品外形輪廓，然後再把探針拉高，使探針沿著原路徑的軌跡作第二次掃描，然後記錄探針振動頻率、相位或振幅變化，以此方式同時量取表面變化及磁力影像。第28頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一MFM測量模式直流模式的掃描方式，類似於非接觸式原子力顯微鏡，差異點僅在於探針與樣本之間作用力的不同。所應(yīng)用的理論，是由Zeeman能量法獲得，亦即磁力是磁矩(m)乘以磁場的空間梯度(?H)，磁力的大小可由懸桿的偏移量乘以懸桿的彈性係數(shù)而得知。交流模式的掃描方式，利用輕敲式原子力顯微術(shù)的成像原理，並利用掃頻機(jī)制，對探針震盪器輸入最佳的電壓訊號，使探針可以達(dá)到最大振幅，以獲得較高解析度。藉由測量懸臂振幅或及頻率的改變量，可得知樣品表面磁力梯度(Fz)大小，藉以得到樣品表面磁場(H)分布。第29頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一MFM與一般電子顯微鏡比較第30頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一MFM/AFM圖形比較此樣本為在Ni薄膜上放置Cu第31頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一總結(jié)以上所介紹各式顯微鏡，近年來用以物理工程，化學(xué)、化工及生物科技等，都有相當(dāng)大的幫助，因為它們都有一個共通的特性就是都能測量或者移動、固定尺寸達(dá)到奈米或者更低的尺寸，而這也是未來科技的趨勢。第32頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一參考資料J.Colchero,H.Bielefeldt,A.Ruf,M.Hipp,O.Marti,andJ.Mlynek,ScanningForceandFrictionMicroscopy,Phys.Stat.Sol.(a),131,1992,73-75.

S.N.Magonov,M.-H.Whangbo,SurfaceanalysiswithSTMandAFM,VCH,Weinhei