扫描探针显微镜实验报告
研究生读书报告---纳米制造之扫描探针显微镜
2维
图像
直观
三代显微镜的观察范围及典型物体
扫描隧道电子显微镜
1981年，IBM公司的G. Binning和H. Rohrer根据电子的隧道效应发明了扫描 隧道电子显微镜（Scanning Tunneling Microscope, STM），获1986诺贝尔 物理奖。 目前，人们可以利用扫描隧道电子显微镜来观察原子、分子和直接操纵安排 原子。至今，具有最高的分辨率。Z轴分辨率达到0.01 nm。
第二代为电子显微镜
20世纪三十年代早期卢斯卡 (E.Ruska)发明了电子显微镜， 使人类能”看”到病毒等亚微 米的物体，它与光学显微镜一 起成了微电子技术的基本工具。
第三代为扫描探针显微镜 也可简称为纳米显微镜。1981 年比尼格和罗勒发明了扫描隧 道显微镜(STM)，使人类实现 了观察单个原子的原望；1985 年比尼格应奎特(C.F.Quate) 发明了可适用于非导电样品的 原子力显微镜(AFM)，也具有 原子分辨率，与扫描隧道显微 镜一起构建了扫描探针显微镜 (SPM)系列。
扫描探针显微镜发展与展望
目前，STM/AFM已不仅仅限于观察原子排列了，而已深深渗入微电子 技术、生物技术、基因工程、生命科学、材料科学、表面技术、信息技 术和纳米技术等各种尖端科学领域。尤其是用STM/AFM来操纵单原子、 单分子技术，将使人类从目前的微米尺度上对材料的加工迅速跨入到纳 米尺度、原子尺度上的加工，完成单分子、单原子、单电子器件的制作， 从而导致相关学科高速发展。在信息科学上，STM/AFM使信息存储量大 幅度提高；在生命科学中，STM完成物种再造；在材料科学中，STM/AFM 创造新原子结构材料，并可实现纳米机械加工设备。可以说STM/AFM在 微电子学、微机械学、计量学、化学和生物医学等领域中有广泛的应用 前景。 同时，对检测结果有待于进一步探讨，如针尖效应、体与面的差 别，所以有待于进一步的开发和研究。随着STM/AFM技术的发展，可以 根据用户的需要开展新的领域探索：如除了形貌成像外，STM/AFM希望 还能探测电磁、摩擦和毛细力等不同相互作用力。
扫描电镜实验报告记录
扫描电镜实验报告记录————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：HUNAN UNIVERSITY姓名：扫描电镜实验报告姓名：高子琪学号： 201214010604一.实验目的1.了解扫描电镜的基本结构与原理；2.掌握扫描电镜样品的准备与制备方法；3.掌握扫描电镜的基本操作并上机操作拍摄二次电子像；4.了解扫描电镜图片的分析与描述方法。
二．实验设备及样品1.实验仪器：D5000-X衍射仪基本组成：1）电子光学系统：电子枪、聚光镜、物镜光阑、样品室等2）偏转系统：扫描信号发生器、扫描放大控制器、扫描偏转线圈 3）信号探测放大系统4）图象显示和记录系统5）真空系统2.样品：块状铝合金三.实验原理1.扫描电镜成像原理从电子枪阴极发出的电子束，经聚光镜及物镜会聚成极细的电子束（0.00025微米-25微米），在扫描线圈的作用下，电子束在样品表面作扫描，激发出二次电子和背散射电子等信号，被二次电子检测器或背散射电子检测器接收处理后在显象管上形成衬度图象。
二次电子像和背反射电子反映样品表面微观形貌特征。
而利用特征X射线则可以分析样品微区化学成分。
扫描电镜成像原理与闭路电视非常相似，显像管上图像的形成是靠信息的传送完成的。
电子束在样品表面逐点逐行扫描，依次记录每个点的二次电子、背散射电子或X射线等信号强度，经放大后调制显像管上对应位置的光点亮度，扫描发生器所产生的同一信号又被用于驱动显像管电子束实现同步扫描，样品表面与显像管上图像保持逐点逐行一一对应的几何关系。
因此，扫描电子图像所包含的信息能很好地反映样品的表面形貌。
2.X射线能谱分析原理X射线能谱定性分析的理论基础是Moseley定律，即各元素的特征X射线频率ν的平方根与原子序数Z成线性关系。
同种元素，不论其所处的物理状态或化学状态如何，所发射的特征X射线均应具有相同的能量。
扫描探针显微镜实验教案
1.绪论
自有人类文明以来，人们就一直为探索微观世界的奥秘而不懈的努力。1674 年，荷兰人列文虎 克利用透镜对光线的折射发明了世界上第一台光学显微镜，并利用这台显微镜首次观察到了血红细 胞，从而开启了人类使用仪器来研究微观世界的纪元。光学显微镜的出现，开阔了人们的观察视野， 但是光的波动性产生的衍射效应，在可见光范围内光学显微镜的极限分辨率只能达到 300nm。而对微 观世界的研究，几百纳米的分辨率是远远不够的。1931 年德国科学家恩斯特·鲁斯卡利用电子透镜可 以使电子束聚焦的原理和技术，成功地发明了电子显微镜。电子显微镜一出现即展现了它的优势，电 子显微镜的放大倍数提高到上万倍，在电子显微镜下，可以看到细胞小的多的病毒，分辨率达到了 10-8 米。现代高分辨透射电子显微镜（transmission electron microscope,TEM）分辨率优于 0.3nm，晶 格分辨率可达 0.1~0.2nm，人们的视觉本领得到了进一步的延伸。
2.1 隧道效应 ............................................................................................................................................ 6 2.2 压电效应与压电扫描管........................................................................................ 6 2.3 隧道针尖 ........................................................................................................................................... 7 2.4 电子学控制系统 ................................................................................................................................ 7 2.5 扫描隧道显微镜的工作原理............................................................................................................. 8 2.6 用扫描隧道显微镜扫描导电光栅..................................................................................................... 9 2.7 实验思考题 ...................................................................................................................................... 10 3．原子力显微镜 ...........................................................................................................................................11 3.1 原子间作用力 ...................................................................................................................................11 3.2 原子力显微镜的硬件架构............................................................................................................... 12
扫描隧道显微镜实验报告
扫描隧道显微镜【摘要】本实验利用化学腐蚀法制作STM 针尖，再利用所得针尖进行恒电流模式扫描，以得出样品高定向热解石墨（HOPG ）的扫描图像，经过图像除干扰处理，最后得出电压灵敏度分别为21.20(ÅV ⁄)和29.35(ÅV ⁄)。
【关键词】STM ，恒电流，扫描【引言】扫描隧道显微镜亦称为“扫描穿隧式显微镜”、“隧道扫描显微镜”，简称为STM 。
STM 技术的诞生使在纳米尺度范围探测材料的表面特征成为可能,STM 使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，是国际公认的20世纪80年代世界十大科技成就之一。
【实验原理】扫描隧道显微镜是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。
它是用一个极细的尖针，针尖头部为单个原子去接近样品表面，当针尖和样品表面靠得很近，即小于１纳米时，针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠。
此时若在针尖和样品之间加上一个偏压，电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级１０Ａ的隧道电流。
通过控制针尖与样品表面间距的恒定，并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就可将表面形貌和表面电子态等有关表面信息记录下来。
如图1所示，φ0为矩形势垒的高度，E 为粒子动能，则该粒子穿透厚度为z 的势垒几率P 可用下式表示：P (z )∝e −2kz，其中k =1ℏ√2m (φ0−E )。
STM 技术的核心就是一个能在表面上扫描并与样品间有一定偏置电压的针尖。
当图 1 典型矩形势垒的隧穿几率函数样品和探针的距离非常近时，在外加电场的作用下，电子就会穿过两个电极间的势垒从一个电极流向另一个电极，通过记录隧道电流的变化就可以得到有关样品表面的形貌信息。
而隧道电流可用下式表示：I=V b exp(−AΦ12s)其中，V b是加在针尖和样品之间的偏置电压，Φ≈12(Φ1+Φ2)，Φ1和Φ2分别为针尖和样品的功函数，A为常数，在真空条件下约等于1.STM针尖工作方式可分为恒高和恒电流两种模式。
扫描隧道显微镜(STM)实验报告
实验报告姓名小编班级01**101 学号011**01** 组别实验日期2011-11-23课程名称大学物理实验同实验者指导教师成绩扫描隧道显微镜（STM）一．实验目的1掌握和了解量子力学中的隧道效应的基本原理。
2学习和了解扫描隧道显微镜的基本结构和基本实验方法原理。
3基本了解扫描隧道显微镜的样品制作过程、设备的操作和调试过程，并最后观察样品的表面形貌。
4正确使用AJ—1扫描隧道显微镜的控制软件，并对获得的表面图像进行处理和数据分析。
二．实验仪器AJ—1型扫描隧道显微镜；P-IV型计算机；样品（高序石墨）；金属探针及工具。
三．实验原理1．隧道电流扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学的隧道效应。
对于经典物理学来说，当一粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回（如图3）。
而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它的能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应，它是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，这种效应才会显著。
经计算，透射系数（1）由式中可见，透射系数T与势垒宽度a、能量差（V0-E）以及粒子的质量m有着很敏感的依赖关系，随着a的增加，T将指数衰减，因此在宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势垒的现象。
扫描隧道显微镜是将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于1 nm），在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。
隧道电流I是针尖的电子波函数与样品的电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S和平均功函数Φ有关（2）式中Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数，Φ1和Φ2分别为针尖和样品的功函数，A为常数，在真空条件下约等于1。
隧道探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂—铱丝等，被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流。
扫描隧道显微镜实验报告
一、实验目的1.采用探针扫描显微镜进行微纳米级表面形貌测量。
2。
了解扫描探针显微镜的工作原理并熟悉原子力显微镜的操纵。
二、实验设备原子力显微镜、光盘块、装有SPM Console在线控制软件和Image后处理软件的计算机。
三、实验基础原子力显微镜（Atomic Force Microscope ，AFM）,一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。
原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定,带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。
利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息.激光检测原子力显微镜(Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection, Laser-AFM)——扫描探针显微镜家族中最常用的一种为例，其工作原理如图1所示。
二极管激光器（Laser Diode）发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂（Cantilever）背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器(Detector）.在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。
在系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的距离始终保持在纳米（10e-9米）量级，距离太大不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品，反馈回路（Feedback)的作用就是在工作过程中，由探针得到探针-样品相互作用的强度,来改变加在样品扫描器垂直方向的电压，从而使样品伸缩，调节探针和被测样品间的距离,反过来控制探针样品相互作用的强度,实现反馈控制。
(精选)扫描探针显微镜实验报告
扫描探针显微镜【目的要求】1.学习和了解扫描探针显微镜的结构和原理；2.把握扫描探针显微镜的模式之一---扫描隧道显微镜的操作和调试进程，并以之来观看样品的表面形貌；3.学习用运算机软件来处置原始数据图像。
【仪器用具】扫描探针显微镜、针尖、运算机、光栅样品【原理】扫描探针显微镜是继光学显微镜和电子显微镜进展起来后的第三代显微镜。
80年代初期，IBM公司苏黎世实验室的和发明了扫描隧道显微镜，它的分辨率达到纳米。
STM的诞生，令人类第一次在实空间观测到了原子，并能够在超高真空超低温的状态下操纵原子。
在STM的基础上，又发明了原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等等，这些显微镜都统称扫描探针显微镜。
因为它们都是靠一根原子线度的极细针尖在被研究物质的表面上方扫描，检测搜集针尖和样品间的不同物理量，以此取得样品表面的形貌图像和一些有关的电化学特性。
如：扫描隧道显微镜检测的是隧道电流，原子力显微镜镜测试的是原子间彼此作使劲等等。
光学显微镜和电子显微镜都称之为远场显微镜，因为相对来讲样品离成像系统有比较远的距离。
成像的图像好坏大体取决于仪器的质量。
而扫描探针显微镜的工作原理是基于微观或介观范围的各类物理特性，探针和样品之间只有2-3埃的距离，会产生彼此的作用，是一种彼此阻碍的耦合体系。
咱们称它为近场显微镜。
它的成像质量不单单取决于显微镜本身，专门大程度上受样品本身和针尖状态的阻碍。
因此，咱们在利用这一类的仪器时，要想取得好的图像，关键是要学会分析判定各类图像及现象的产生缘故，然后通过调整参数，取得相对好的图像。
2. 扫描探针显微镜的大体结构(1) 减振系统是仪器有效取得原子图像的必要保证。
有效的振动隔离是STM达到原子分辨率所严格要求的一个必要条件，STM原子图像的典型起伏是埃，所之外来振动的干扰必需小于埃。
有两类振动是必需隔离的：振动和冲击。
振动一样是重复性和持续性的，而冲击那么是瞬态转变的，在二者当中，振动隔离是最要紧。
扫描探针显微镜实验报告
实验报告课程名称电镜技术成绩姓名学号实验日期2013.4.24 实验名称扫描探针显微镜指导教师一、实验目的与任务1.了解扫描电镜的发展历程及分类2.学习并了解扫描探针显微镜的结构及原理3.掌握扫描探针显微镜的操作步骤4.了解扫描探针显微镜的应用二、实验基本原理1.扫描探针显微镜的发明背景1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛·宾尼博士和海·罗雷尔博士及其同事们共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope,以下简称STM）。
在STM出现以后，又陆续发展了一系列工作原理相似的新型显微技术，包括原子力显微镜（Atomic Force Microscope,以下简称AFM）、横向力显微镜（Lateral Force Microscope,以下简称LFM）等，这类基于探针对被测样品进行扫描成象的显微镜统称为扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope,以下简称SPM）。
2.STM概述（1）STM出现的意义STM的出现使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。
STM不仅具有很高的空间分辨率（横向可达0.1nm，纵向优于0.01nm），能直接观察到物质表面的原子结构；而且还能对原子和分子进行操纵，从而将人类的主观意愿施加于自然。
可以说STM是人类眼睛和双手的延伸，是人类智慧的结晶。
（2）STM的优点具有原子级高分辨率；可实时地得到在真实空间中表面的三维图象；可观察单个原子层的局部表面结构；可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在溶液中，并且探测过程对样品无损伤；配合扫描隧道谱STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到有关表面电子结构的信息；利用针尖可以搬迁和操纵单个原子。
（3）STM 的局限性在STM的恒流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差。
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实验报告
（2）STM的优点
具有原子级高分辨率；可实时地得到在真实空间中表面的三维图象；可观察单个原子层的局部表面结构；可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在溶液中，并且探测过程对样品无损伤；配合扫描隧道谱STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到有关表面电子结构的信息；利用针尖可以搬迁和操纵单个原子。
（3）STM 的局限性
在STM的恒流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差。
STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性。
（4）STM的基本原理
将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近(通常小于1nm) 时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。
隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电流即增加约一个数量级。
因此，根据隧道电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，如果同时对x-y方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。
（5）STM的基本结构
STM 仪器由具有减振系统的STM 头部(含探针和样品台)、电子学控制系统和计算机组成。
（6）STM的应用
扫描图像；操纵单一分子或原子；. I-V曲线测定、信息存储。
3.AFM概述
（1）AFM原理及结构
AFM的装置和STM一样，AFM也有：振动隔绝系统；机械系统；针尖系统；电子系统和计算机系统几个大的部分组成。
（2）AFM的应用
纳米材料的形貌测定；纳米尺度的物性测量；生物材料的研究；纳米结构加工。
4.SPM概述
（1）SPM的原理
利用压电材料，将电压转变为位移，控制探针在纳米级的距离上对被测样品的表面进行扫描，同时记录扫描过程中探针和样品的相互作用，从而得到样品的表面信息。
（2）扫描探针显微镜（SPM）与其他显微镜技术的各项性能指标比较
四、实验结果及数据处理
此图扫描事业面积为2μm×2μm,图中棕黄色的部
分代表为平整的硅板面，金黄色的点状部分代表堆
积的锗粒子，点越亮代表锗粒子堆积的高度越高，
反之则越低。
此图所示为立体三维图
如此图所示，样品中该锗粒子上下两边的高度分别为：Z1=10.37531nm ，Z2=17.32571nm，高度差△Z=6.950402nm，两点间距离为32.39466nm，两点间角度差为12.10945°；左右两边的高度分别为Z1=10.00725nm ，Z2=10.25314nm，高度差△Z=0.245891nm，两点间距离为65.05928nm，两点间角度差为0.216548°。
所以，该锗粒子的直径约为65.05928nm，高度约为32.39466nm。
同时，此图有关的值：
Ra 平面光洁度2.395E+00 nm
P-V 最大高低差2.669E+01 nm RMS 均方面光洁度3.045E+00 nm RZ 10 点平均光洁度1.983E+00 nm S 表面积4.090E+06 nm2
S Ratio 表面力矩1.00758
Ra 断面中心线平均光洁度6.036E+01 nm P-V 最大高低差0.000E+00 nm
L 测定长度8.238E+02 nm
λ c cut off值4.570E+01 nm
△a 平均倾斜角 1.072E+01°Histogram Z值范围的频率分布1.18 Bearing Ratio Z值的最大值到Z值分布的累
积频率分布19.68。