掃描探針顯微技術集合

掃描探針顯微技術集合第一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三5-1掃描探針顯微鏡的產生和歷史5-2掃描探針顯微鏡的原理5-3掃描探針顯微鏡的特點與應用5-4存在的問題及其展望5-5總結參考文獻第二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三掃描探針顯微鏡的產生和歷史掃描探針顯微鏡產生的必然性

1表面結構分析儀器的局限性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第三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三掃描探針顯微鏡的產生和歷史低能電子衍射和X射線衍射光學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構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的針尖上的原子結構和二維幾何性質，且制樣技術復雜只能提供空間平均的電子結構信息第四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三掃描探針顯微鏡的產生和歷史2納米科技突飛猛進的發(fā)展Dendrimer-likeGoldNanoparticle[3]

BiomolecularRecognitiononVerticallyAlignedCarbonNanofibers[1]

ε-Conanocrystalscoatedbyamonolayerofpoly(acrylicacid)-block-polystyrene[2]DNATranslocationinInorganicNanotubes[4]Diameter-DependentGrowthDirectionofEpitaxialSiliconNanowires[5]第五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三掃描探針顯微鏡的產生和歷史掃描探針顯微鏡的產生掃描隧道顯微鏡1982年

人類第一次能夠實時地觀察單個原子在物質表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關的物理、化學性質，在表面科學、材料科學、生命科學等領域的研究中有著重大的意義和廣闊的應用前景，被國際科學界公認為八十年代世界十大科技成就之一。Gerd.BinnigHeinrichRohrer第六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三掃描探針顯微鏡的產生和歷史掃描力顯微鏡（SFM）掃描近場光學顯微境（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）第七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三掃描探針顯微鏡的產生和歷史掃描探針顯微鏡的發(fā)展歷史

對于掃描探針顯微術的最初研究可以追溯到上個世紀２０年代。1928年英國科學家Synge提出了掃描探針近場光學顯微鏡的概念。他提出制造一個玻璃的針尖，在這個針尖的末端有一個極小的照相機的光圈，然后用這個針尖對待測樣品作一行行的掃描。他后來也提出了對樣品進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100埃的狹逢中的傳播，指出了該技術有望達到100埃的分辨率。但不幸的是，他斷言相關的技術還不成熟，實驗方面的工作還不具有可行性，因此他放棄了進一步的研究。Baez之后用聲波的方法一一核實了這些概念。1972年，Ash和Nicholls兩人使用3cm波長的微波輻射做成了世界上第一個近場高分辨率掃描顯微鏡。他們達到了150微米的分辨率（波長的二百分之一）.1981年IBM的Gerd.Binnig和HeinrichRohrer制成了世界上第一臺掃描隧道顯微鏡，由此人類第一次獲得了原子尺度上的圖像。二人因此項工作獲得了諾貝爾獎。自此SPM的發(fā)展日新月異。第八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三掃描探針顯微鏡的原理掃描探針顯微鏡的原理

當探針與樣品表面間距小到納米時，按照近代量子力學的觀點，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，最終構建出三維的表面圖。

第九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三掃描探針顯微鏡的原理

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。第十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三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，當探針和樣品表面相距只有數十埃時，由于隧道效應在探針與樣品表面之間就會產生隧穿電流，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)生成千上萬倍的變化。這些信息輸入電子計算機，經過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體和半導體表面的測定。

第十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三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。一個對力非常敏感的微懸臂，其尖端有一個微小的探針，當探針輕微地接觸、接近或輕敲樣品表面時，由于探針尖端的原子與樣品表面的原子之間產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轉換成光電信號并進行放大，就可以得到原子之間力的微弱變化的信號。這些信息輸入電子計算機，經過處理即可在熒光屏上顯示出一幅物體的三維圖像。第十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三

掃描探針顯微鏡正在迅速地被應用于科學研究的許多領域，如納米技術，催化新材料，生命科學，半導體科學等，并且取得了許多重大的科研成果.掃描探針顯微鏡的特點與應用第十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三掃描探針顯微鏡的特點與應用掃描探針顯微鏡的特點1.分辨率高HM：高分辨光學顯微鏡；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第十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三掃描探針顯微鏡的特點與應用2、可實時地得到實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構研究。

應用：可用于表面擴散等動態(tài)過程的研究。

3、可以觀察單個原子層的局部表面結構，而不是體相或整個表面的平均性質。應用：可直接觀察到表面缺陷、表面重構、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，并且探測過程對樣品無損傷。應用：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、超導機制、電化學反應過程中電極表面變化的監(jiān)測等。第十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三掃描探針顯微鏡的特點與應用5、配合掃描隧道譜，可以得到有關表面結構的信息，例如表面不同層次的態(tài)密度、表面電子阱、電荷密度波、表面勢壘的變化和能隙結構等。

6、在技術本身，SPM具有的設備相對簡單、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。

第十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三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用&通過顯微鏡探針可以操縱和移動單個原子或分子掃描探針顯微鏡的特點與應用雙鏈DNA吸附在石墨表面用CH3(CH2)11NH2分子改性。操作過程是這樣的，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。a.是雙鏈質粒DNA分子的交存；b.其中2個順著箭頭方向拉伸之后；c.同樣的分子進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。第十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三微米納米結構表征，粗糙度，摩擦力，高度分布，自相關評估，軟性材料的彈性和硬度測試高分辨定量結構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用:液體中完整活細胞成象，細胞膜孔隙率和結構表征，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掃描探針顯微鏡的特點與應用掃描探針顯微鏡的其他應用第十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三存在的問題及其展望存在的問題

由于其工作原理是控制具有一定質量的探針進行掃描成像，因此掃描速度受到限制，檢測效率較其他顯微技術低；由于壓電效應在保證定位精度前提下運動范圍很?。壳半y以突破100μm量級），而機械調節(jié)精度又無法與之銜接，故不能做到象電子顯微鏡的大范圍連續(xù)變焦，定位和尋找特征結構比較困難；

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數量級，掃描時掃描器隨樣品表面起伏而伸縮，如果被測樣品表面的起伏超出了掃描器的伸縮范圍，則會導致系統(tǒng)無法正常甚至損壞探針。因此，掃描探針顯微鏡對樣品表面的粗糙度有較高的要求；由于系統(tǒng)是通過檢測探針對樣品進行掃描時的運動軌跡來推知其表面形貌，因此，探針的幾何寬度、曲率半徑及各向異性都會引起成像的失真（采用探針重建可以部分克服）。第十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三存在的問題及其展望最新展望和應用

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，因此可以利用它來作彈道電子注入。通過測量這個電流，Bell和Kaiser得以測量埋在樣品表面下的肖特基勢壘的深度[12][13]。這項技術被稱作彈道電子發(fā)射顯微鏡（BEEM）。自此以后，彈道電子發(fā)射譜被廣泛的應用在其他方面的研究中[12]，包括對肖特基勢壘的研究，對雙層結構共振態(tài)的研究，CuPt型陣列的研究，量子點的研究上。第二十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三存在的問題及其展望

新近發(fā)展起來一種技術叫做BEMM（彈道電子磁場譜）[14]，是BEEM的技術加上巨磁阻效應。它是和‘鐵磁－非鐵磁－鐵磁薄膜－半導體基底’一起使用的。在恒流模式下，通過STM針尖，將電子注入到該結構上。電子在通過第一個鐵磁薄膜時將被自旋極化。極化的電子然后進入鐵磁金屬－半導體異質結，如果兩個鐵磁薄膜是平行磁性(P)的，則通過的效率最高，如果是反平行磁性的（AP），則通過的效率最低（巨磁阻效應[16]）。這就我們就可以通過隧穿電流大小的變化來研究薄膜磁性、彈道電子輸運等過程[15]。第二十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三存在的問題及其展望

在自旋電子學方面的應用也是振奮人心的。自旋電子學是利用電子的自旋的方向－（上或下）來表示傳統(tǒng)信息學里的0和1。目前這們新興學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－半導體異質結，來研究注入效率與異質結結構的關系[17]。人們發(fā)現(xiàn)真空的隧道結能夠有效地將自旋注入電子中，隧道結的邊界還能保存自旋極化。在100K下，用一個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，并同時記錄下了重組發(fā)光的極化程度，結果表明，高度自旋極化流(92％)能夠被注入GaAs[18]。第二十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三存在的問題及其展望2）在生物學方面的應用。

掃描探針顯微術(SPM)現(xiàn)已廣泛用于生物學研究,形成了一門新的學科—納米生物學(Nanobiology)[19]。SPM在生物方面的主要優(yōu)點是[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。這比生物學領域傳統(tǒng)使用的電子顯微鏡要好得多。SPM的這項優(yōu)點使得生物學的研究者可以在生物活體情況下研究生物學樣品。第二十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三存在的問題及其展望

（3）SPM也不需要對生物體進行重金屬著色，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對有機體的極大損害。（4）SPM不依賴于你得到的樣品的數量、形式，不依賴于你是否得到晶體。舉例來說，[19]X射線衍射方法是目前研究藻膽蛋白及其他蛋白質晶體結構的有效手段,且分辨率很高。但這一方法首先必須要求得到蛋白質的晶體,所以,種類繁多的藻膽蛋白到目前為止僅有為數很少的幾種得到X射線衍射結果。但用STM可以直接觀察非晶體狀態(tài)下的藻膽蛋白的結構.第二十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三存在的問題及其展望

在生物學領域SPM最大的不足之處：

SPM一般只能研究樣本表面部分的性質，同時，它的掃描速度也非常低，通常每張圖片要一分鐘左右。一個普通的SPM設備的價位在常規(guī)光學顯微鏡和低端的電子顯微鏡之間。和掃描隧道顯微鏡相比，想操縱好一個電子顯微鏡，你需要擁有長時間的操作經驗和方方面面的技巧。第二十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三總結以上是對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，如光學和電子顯微鏡等，SPM有著諸多優(yōu)勢，它有其他表面分析儀器所無法比擬的分析分辨率，其納米量級上的表面形貌描述，能使人們對樣品表面有了直觀的映像。此外它不僅可以作為一種測量工具，還可以利用其合適的探針對物質進行加工、改性。是人們認識微觀世界改造微觀世界的有利工具。第二十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三總結目前對于SPM的研究主要在3個方面：1，對SPM的針尖研究，針尖是SPM工作的關鍵，對于測量的分辨率起到至關重要的作用。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期研究的一個目標；2,在SPM方面主要是對針尖偏置電壓的研究。研究如何控制偏置電壓達到一個合適的值，使得既有利于電子遷移，又不會因為電化學反應對針尖起到腐蝕作用；3,對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探針，延長其使用壽命。第二十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三參考文獻[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,半導體技術28,7(2003)[18]LABELLAVP，BULLOCKDW，DINGZ，etalScience，2001，292：1518—1521．[19]張玉忠時東霞等生物化學與生物物理學報29，521（1997）[20]J.K.H.H?rberandM.J.Miles10.1126/science.1067410第二十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三&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用第二十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三&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)AB掃描探針顯微鏡的應用第三十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三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)域內聚乙烯3-十二烷噻吩計算得到的模型c.亞分子鏈接和褶皺的三維立體圖像第三十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三&用于研究物質的動力學過程(a-c)Time-sequencedconstant-current(heightmode)STMimagesshowingthenucleationandgrowthofbenzenethiol(BT)moleculesatPt(Ⅱ)potentiostatedat0.15Vin0.1MHClO4[7].掃描探針顯微鏡的應用0.15V恒壓下，在0.1MHClO4溶液中，苯硫醇分子的晶核形成和生長過程的STM圖像第三十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三&用于研究物質的動力學過程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程AFM圖像掃描探針顯微鏡的應用第三十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三掃描探針顯微鏡的特點與應用相較于其它顯微鏡技術的各項性能指標比較

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

100μm量級

透射電鏡點分辨(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)

1μm(10000倍時)場離子顯微鏡

原子級

超高真空

30~80K有

原子厚度

第三十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三掃描探針顯微技術發(fā)展歷程基本工作原理掃描探針顯微技術的特性存在問題適用范圍最新展望和應用下一頁第三十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三

顯微技術是人們認識材料微觀結構的重要途徑，其發(fā)展歷程是從光學顯微鏡——電子顯微鏡——掃描探針技術。一般的光學顯微鏡的分辨率250nm,掃描電子顯微鏡（橫向分辨率3－5nm），不能用來直接觀察分子和原子。掃描探針技術（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（SPM）實際上一類顯微術的總稱，都是在掃描隧道顯微鏡的基礎上發(fā)展起來的，其中最常用的有掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM），這兩種方法互為補充。

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對于掃描探針顯微術的最初研究可以追溯到上個世紀２０年代。1928年英國科學家Synge提出了掃描探針近場光學顯微鏡的概念。他提出制造一個玻璃的針尖，在這個針尖的末端有一個極小的照相機的光圈，然后用這個針尖對待測樣品作一行行的掃描。他后來也提出了對樣品進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100埃的狹逢中的傳播，指出了該技術有望達到100埃的分辨率

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但不幸的是，他斷言相關的技術還不成熟，實驗方面的工作還不具有可行性，因此他放棄了進一步的研究。Baez之后用聲波的方法一一核實了這些概念。1972年，Ash和Nicholls兩人使用3cm波長的微波輻射做成了世界上第一個近場高分辨率掃描顯微鏡。他們達到了150微米的分辨率（波長的二百分之一）.1981年IBM的Gerd.Binnig和HeinrichRohrer制成了世界上第一臺掃描隧道顯微鏡，由此人類第一次獲得了原子尺度上的圖像。二人因此項工作獲得了諾貝爾獎。自此SPM的發(fā)展日新月異。返回下一頁上一頁第三十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三返回 SPM實際上是一個很大的家族,是在掃描隧道顯微鏡(STM)發(fā)明取得巨大成就的基礎上發(fā)展起來的各種新型顯微鏡.它們的原理都是通過檢測一個非常微小的探針(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),在納米級的尺度上研究各種物質表面的結構以及各種相關的性質。因此，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?。刺结樀募怃J度）。下一頁掃描探針顯微技術的原理上一頁第三十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三返回

掃描隧道顯微鏡下一頁

掃描探針顯微技術的原理 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，當探針和樣品表面相距只有數十埃時，由于隧道效應在探針與樣品表面之間就會產生隧穿電流，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)生成千上萬倍的變化。這些信息輸入電子計算機，經過處理即可在熒光上一頁第四十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三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體和半導體表面的測定。掃描探針顯微技術的原理掃描隧道顯微鏡下一頁上一頁第四十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三返回

原子力顯微鏡

主要包括接觸模式、非接觸模式和輕敲模式。一個對力非常敏感的微懸臂，其尖端有一個微小的探針，當探針輕微地接觸、接近或輕敲樣品表面時，由于探針尖端的原子與樣品表面的原子之間產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轉換成光電信號并進行放大，就可以得到原子之間力的微弱變化的信號。這些信息輸入電子計算機，經過處理即可在熒光屏上顯示出一幅物體的三維圖像。

掃描探針顯微技術的原理下一頁上一頁第四十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三SPM的特點原子級高分辨率。STM在平行和垂直于樣品表面方向的分辨率分別可達0.1nm和0.01nm，即可以分辨出單個原子，具有原子級的分辨率?？蓪崟r地得到實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構研究及表面擴散等動態(tài)過程的研究?？梢杂^察單個原子層的局部表面結構，因而可直接觀察表面缺陷、表面重構、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等。返回下一頁上一頁第四十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三返回下一頁SPM的特點

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，并且探測過程對樣品無損傷。這些特點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。配合掃描隧道譜STS(ScanningTunnelingSpectroscopy)可以得到有關表面結構的信息，例如表面不同層次的態(tài)密度、表面電子阱、電荷密度波、表面勢壘的變化和能隙結構等。上一頁第四十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三存在的問題由于其工作原理是控制具有一定質量的探針進行掃描成像，因此掃描速度受到限制，檢測效率較其他顯微技術低；由于壓電效應在保證定位精度前提下運動范圍很?。壳半y以突破100μm量級），而機械調節(jié)精度又無法與之銜接，故不能做到象電子顯微鏡的大范圍連續(xù)變焦，定位和尋找特征結構比較困難；

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數量級，掃描時掃描器隨樣品表面起伏而伸縮，如果被測樣品表面的起伏超出了掃描器的伸縮范圍，則會導致系統(tǒng)無法正常甚至損壞返回下一頁上一頁第四十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三存在的問題

探針。因此，掃描探針顯微鏡對樣品表面的粗糙度有較高的要求；由于系統(tǒng)是通過檢測探針對樣品進行掃描時的運動軌跡來推知其表面形貌，因此，探針的幾何寬度、曲率半徑及各向異性都會引起成像的失真（采用探針重建可以部分克服）。返回下一頁上一頁第四十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三適用范圍

掃描探針顯微技術的應用領域十分寬廣。在物理、化學、生物、醫(yī)學等基礎學科，還是材料、微電子等應用學科都有它的用武之地。

下面簡單例舉幾項：

納米加工技術

基于掃描探針顯微鏡的納米加工技術，包括了一種納米刻蝕技（Nanolithgraphy）。這種技術可以實現(xiàn)在納米尺度上制備產品。目前刻蝕圖形的線寬約10nm。返回下一頁上一頁第四十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三適用范圍

原子操縱

掃描探針顯微鏡所提供的單個原子、分子的操縱手段還可能導致原子級的計算機開關器件的誕生。相當方便面地移走材料表面的某一種原子和搬來另一種原子，從而形成一種新材料。這一切在數分種內就可以完成。這種顯微鏡最激動人心的用途就是用于制造"原子尺寸"的計算機和毫微芯片。下一頁返回上一頁第四十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三適用范圍返回1990年IBM研究人員首次在金屬鎳表面用35個惰性氣體氙原子組成“IBM”三個英文字母。后來，又搬移近百顆鐵原子形成中文「原子」二字。此結果成為雜志及國際研討會的封面圖案。

下一頁上一頁第四十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三適用范圍 解決許多理論和實驗上的疑難問題下一頁硅表面77重構圖象返回上一頁第五十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三適用范圍

用AFM得到的癌細胞的表面圖象返回下一頁上一頁第五十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三呈現(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）返回下一頁上一頁第五十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三適用范圍該圖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程AFM圖像下一頁ContinuousAFMheightimagesofmelt-crystallizedpoly[(R)-3-hydroxybutyricacid](PH3