扫描探针显微镜原理及其应用1
各种显微镜的原理和适用场合
各种显微镜的原理和适用场合嘿，大家好！今天咱们聊聊显微镜——这个神奇的“放大镜”，让我们能够窥探微观世界的奥秘。
不管你是科学迷还是对生物学有点好奇，相信这段小小的探索旅程会让你大开眼界。
1. 光学显微镜首先，咱们从最常见的光学显微镜说起。
这家伙是最经典的“老朋友”了。
它通过光线来放大样本，就像你用放大镜看细节一样。
其实，它的工作原理也不复杂，简单说就是透过镜头把物体的影像放大，然后你能看到更多的细节。
1.1 原理光学显微镜的核心在于透镜。
光线从样本穿过，然后被显微镜的镜头放大。
就像是你在太阳下拿个放大镜烧纸一样，虽然没那么刺激，但道理差不多。
显微镜里有几个镜头，分别负责不同的放大倍数，方便你查看不同层次的细节。
1.2 适用场合这种显微镜非常适合用来观察生物样本，比如细胞、细菌什么的。
它特别适合学校的实验室和医学研究，不仅操作简单，而且价格也比较亲民。
2. 电子显微镜接下来，是电子显微镜，它可是“高级玩家”了。
和光学显微镜不同，电子显微镜用电子束而不是光线来照射样本。
由于电子的波长比光线短得多，所以它能提供更高的分辨率，能看到更小的细节。
2.1 原理简单说，电子显微镜的工作原理是利用电子束扫描样本，然后通过探测器来形成图像。
你可以把它想象成一种“电子摄影机”，但是拍摄的对象是微观世界。
电子束穿过样本后，会产生各种不同的信号，这些信号经过处理后，就形成了我们看到的高清图像。
2.2 适用场合电子显微镜非常适合用来研究纳米级的材料、细胞内部结构，甚至是病毒。
它的分辨率高得惊人，所以通常用于科学研究、材料分析以及医学诊断领域。
可是，它的操作复杂、价格不菲，所以一般都在研究机构和高端实验室见到。
3. 共聚焦显微镜接下来是共聚焦显微镜，它可以说是光学显微镜的“进阶版”。
这种显微镜特别厉害的地方在于它能用激光光源来扫描样本，并且能在样本的不同层次上获取清晰的图像。
3.1 原理共聚焦显微镜利用激光扫描样本，并用特殊的探测器收集图像。
扫描探针显微镜原理及其应用-精工
扫描探针显微镜原理及其应用扫描探针显微镜的历史General term of a type microscope, which performs surface formobservation in minute domain by detecting the physics propertiesbetween probe and sample .STM (1981 invention 1987 utilization) AFM (1986 invention 1990 utilization)DFM （Dynamic Force Mode ）FFM (Friction Force Microscope)MFM (Magnetic Force Microscope)VE-AFM (Viscoelasticity AFM)KFM (Surface potential)SNOMProbeSample surfacephysical interaction10 mm 10μm10 nm10 nm 10 mmX,Y resolution/m10μmZ r e s o l u t i o n /mSEM Optical Microscope10 pmSPMTEM扫描探针显微镜与其他显微镜在分辨能力上的比较0.2nm800μm 15μmReference ：NIKKEI MICRDEVICES 86.11High Resolution in 3D imageAtomic Image （HOPG）STM（～2nm□）Magnet-Optical DiskMFM（10μm□）Lung cancer cell among culture solution DFM（100μm□）AFM Lithography by oxidization with elec. fieldVector Scan（1μｍ□）~ In Air ，High Vacuum ，Liquid ，Heat ，Cool ，Magnetic Field扫描探针显微镜的优势Observation・Analysis ⇒ProcessingTopography & Physical propertyMeasurement in various environmentBeforeAfter扫描探针显微镜原理标准配置功能♦Contact AFM（接触式原子力模式）♦DFM (动态力模式，包括非接触式和间歇接触式原子力模式)♦Phase Mode（相位模式）♦FFM (摩擦力模式)♦MFM (磁力模式)♦Vector Scan（矢量扫描，纳米刻蚀）♦Force vs Distance Curve (力曲线测量模式)Contact AFM（Atomic Force Microscope）DFM（Dynamic Force Mode）PZTDFM／PhasePZT Cantilever PZTSPIMFM（Magnetic Force Microscope）CantileverPZTPZTSPISurface Processing by SPM (Vector Scan)BeforeprocessingCantileverDirection of scanningElectrolyticoxidationAfterprocessingSPI扫描探针显微镜原理物理特性测量♦VE-AFM/VE-DFM (微区粘弹性测量模式)♦LM-FFM (切向调制摩擦力测量模式)♦Surface Potential Microscope KFM(表面电位势测量模式KFM)♦Piezo Response Mode（压电响应模式）SPIVE-AFM/DFM （微粘弹性模式）【测量原理】在AFM 模式下，使扫描器边产生Z 方向微小振动，边加一定周期的力在样品上，将这时的悬臂的弯曲振幅影象化，以测量粘弹性的表面分布。
扫描探针显微镜在二维材料中的应用
扫描探针显微镜在二维纳米材料中的应用1、原子力显微镜原理原子力显微镜是一种常用的扫描探针显微镜，是利用探针和待测样品表面极微弱的原子间相互作用力来探究材料的表面信息的高灵敏度的仪器。
它的基础功能是对材料表面的微观结构进行成像，分辨率能够达到原子级别。
图1给出了常用激光探测原子力显微镜的工作原理示意图。
控制针尖和样品的作用力保持恒定，当针尖和和样品相对移动时，探针高度会随着样品表面原子的高起伏而变化，高度敏感的微悬臂感受到这个变化，其振幅会随之改变。
激光器发出的激光聚焦在微悬臂的背面，并反射到一个由光电二极管阵列组成的检测器上，根据检测器光斑的位置可以判断微悬臂的振动振幅，进而知道样品表面的形貌信息。
之后，检测器收集的信息传递给反馈回路，反馈回路根据这个信息来判断针尖在样品上的位置，进而适当的调整探针和被测样品间的距离，使探针和样品表面的距离保持在原子相互作用力的范围之内，因为距离太近针尖可能损坏样品，太远则不能探测到信息。
图1 原子力显微镜的工作原理示意图根据针尖与样品之间的相互作用力是斥力还是引力，原子力显微镜的工作模分为为以下三类：1）接触模式（Contact Mode，CM)扫描过程中，针尖与样品表面原子的距离很近，相互作用力处于排斥区。
大约10-10～10-6N。
这时针尖就有可能破环样品的表面因此这种模式比较适合硬度高的样品。
高分辨的原子力显微镜使用这种模式，能够将分辨率提升到原子级别。
2）非接触模式（Non-contact Mode，NCM)非接触模式下，针尖与样品表面原子的距离相对较远（5～10 nm），作用力处于引力区（10-12 N），不会损坏样品，适用于硬度低的材料表面表征。
3）敲击模式（Tapping Mode，TM）针尖通过悬臂梁的振动周期性地敲击样品表面。
针尖和样品作用力的范围在接触模式和非接触模式之间，不会损伤样品表面，适于扫描硬度低的、易碎的或粘性样品。
2、原子力显微镜在二维材料中的应用原子力显微镜是目前二维材料精确的厚度测量和层数判断最主要的仪器，同时也是高精度判断二维材料表面形貌信息的仪器。
扫描探针显微镜原理
扫描探针显微镜原理扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是一种通过扫描探测器表面的探针来获取样品表面形貌和性质的显微镜。
它的工作原理基于根据样品表面的形貌变化，通过探测器与样品表面之间的相互作用力测量来获得显微图像。
在扫描探针显微镜中，探测器通过一系列控制机构移动并探测样品表面的特征。
其中最常使用的探测器是探针，它通常是由纳米尺寸的针状探头构成，例如扫描电子显微镜中的原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）和扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy，STM）。
在AFM中，探针通过控制探测器的位置，使得探针与样品表面保持一定的距离，并通过弹性变形或电力作用测量样品表面与探针之间的相互作用力。
这个相互作用力的变化可以通过探测器的位置和力传感器来测量，从而得到样品表面形貌的信息。
通过扫描探针与样品表面的相对运动，可以逐点测量并构建出样品表面的三维形貌图像。
在STM中，探针与样品之间的相互作用力主要是电荷之间的库仑作用力。
当探针和样品表面之间存在一定的电压差时，电子会通过隧道效应穿过探针与样品之间的空隙，形成隧道电流。
根据隧道电流的强度，可以推断出样品表面的形貌信息。
通过调整电压和探针的位置，可以扫描整个样品表面，并获得高分辨率的原子级图像。
与传统的光学显微镜相比，扫描探针显微镜具有更高的分辨率和更强的表面灵敏度。
它不依赖于样品的透明性或反射性，可以用于观察各种类型的样品，包括生物样品、纳米材料和表面结构复杂的材料等。
因此，扫描探针显微镜在材料科学、生物学和纳米技术等领域具有广泛的应用前景。
扫描探针显微镜的原理
扫描探针显微镜的原理你可以把扫描探针显微镜想象成一个超级超级精细的小探子。
这个小探子可不得了呢，它能让我们看到超级小的东西，小到啥程度呢？就是那些纳米级别的小物件。
那它是怎么做到的呢？它有一个特别尖的探针，这个探针就像是我们的手指头，不过比手指头可精细多了。
这个探针靠近我们要观察的样品表面，近到什么程度呢？近到能感受到样品表面原子的高低起伏呢。
当探针靠近样品的时候啊，就会有一些奇妙的相互作用。
比如说有隧穿电流这种东西。
就好像是在微观世界里，有一些调皮的小电流精灵，它们会在探针和样品之间悄悄穿梭。
如果样品表面高一点，那这个隧穿电流就会大一点；如果样品表面低一点呢，隧穿电流就会小一点。
这就像是在玩一个很微妙的游戏，电流随着样品表面的起伏而变化。
然后呢，这个显微镜就会根据这些电流的变化来绘制出样品表面的样子。
就像我们画画一样，根据不同的电流大小，在电脑上或者记录的地方画出高低起伏的线条，这样就一点点把样品表面的微观结构给呈现出来了。
还有哦，这个探针在样品表面移动的时候，就像是一个小小的探险家在一个神秘的微观世界里探险。
它移动得非常非常慢，这样才能精确地感受到每一个小地方的不同。
你想啊，这就好比我们在一个布满小丘陵和小山谷的微观大地上，探针就像是一个超级敏感的小脚丫，每走一步都能感觉到地面的高低不平，然后把这种感觉转化成我们能看到的图像。
而且啊，扫描探针显微镜还不只是能看到表面的高低起伏呢。
它还能感受到样品表面的一些其他特性，比如说力的作用。
就像是这个探针能感觉到样品表面原子之间的那种小拉力或者小推力。
这就更神奇了，就好像这个探针能和原子对话一样，知道它们之间的小秘密。
这个扫描探针显微镜啊，就像是打开微观世界大门的一把神奇钥匙。
它让科学家们能够看到那些以前想都不敢想的微观结构。
比如说研究那些超级小的生物分子，就像小细菌的小部件啦，或者是研究一些新型材料的微观结构，看看那些原子是怎么排列组合的，就像看一群小蚂蚁是怎么排队的一样有趣。
纳米显微镜技术原理及其应用
纳米显微镜技术原理及其应用纳米科技已经成为当今世界发展的主要方向之一，其中纳米显微镜技术是纳米科技的重要组成部分。
纳米显微镜技术可以观察到微观之下的纳米级别物质结构，其修正了经典微观物理理论。
在生物、化学、材料研究等领域中，纳米显微镜技术已经成为不可缺少的研究工具。
本文将介绍纳米显微镜技术的原理及其应用。
一、扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy, SPM）SPM技术是纳米显微镜技术中最为重要的一种。
其基本原理是利用微小的探针来扫描样品表面，利用扫描探针与样品之间的相互作用进行成像，从而观察到超微观的表面形貌和性质。
常见的SPM技术包括原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）和隧道电子显微镜（Scanning Tunneling Microscopy, STM）。
AFM是扫描探针显微镜技术中最常见的一种，其工作原理是利用微小的探针接触样品表面，通过控制探针与样品之间的力距离关系，进行成像。
AFM成像具有高分辨率与高灵敏度等优点，常用于观测固体表面的拓扑结构、纳米级别的力学性质、磁学性质等。
STM则利用电子的量子隧穿特性进行成像。
STM中，探针与样品之间有一极小的电压，电子能从样品的表面隧穿到探针的表面，通过隧穿电流的变化实现成像。
STM广泛应用于表面物理、材料科学等领域中，可对金属、半导体和绝缘体等样品的表面进行高分辨率成像。
在STM的基础上又发展出了高分辨率电子显微镜（High Resolution Electron Microscopy, HR-TEM）。
二、透射电镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）TEM技术使用电子束照射样品，观察样品内部结构。
其主要原理是利用电子的波粒二象性，电子束经过样品后，其传播方向和速度会因为样品内部的结构和性质而改变。
根据电子的散射和透射等现象，可以得到样品内部的微观结构信息。
扫描探针显微镜(SPM)原理简介及操作(修正版)
扫描探针显微镜（SPM）原理简介庞文辉 2012.2.22一、SPM定义扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是扫描隧道显微镜及在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜（原子力显微镜AFM,激光力显微镜LFM，磁力显微镜MFM等等）的统称，包括多种成像模式，他们的共同特点是探针在样品表面扫描，同时针尖与样品间的相互作用力被记录。
SPM的两种基本形式：1、扫描隧道显微镜（Scanning Probe Microscope,STM）2、原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）AFM有两种主要模式：●接触模式（contact mode）●轻敲模式（tapping mode）SPM的其他形式：●侧向摩擦力显微术（Lateral Force Microscopy）●磁场力显微镜（Magnetic Force Microscope）●静电力显微镜（Electric Force Microscope）●表面电势显微镜（Surface Potential Microscope）●导电原子力显微镜（Conductive Atomic Force Microscope）●自动成像模式（ScanAsyst）●相位成像模式（Phase Imaging）●扭转共振模式（Torisonal Resonance Mode）●压电响应模式（Piezo Respnance Mode）●……二、STM原理及应用基于量子力学中的隧穿效应，用一个半径很小的针尖探测被测样品表面，以金属针尖为一电极，被测固体表面为另一电极，当他们之间的距离小到1nm左右时，形成隧道结，电子可从一个电极通过量子隧穿效应穿过势垒到底另一个电极，形成隧穿电流。
在极间加很小偏压，即有净隧穿电流出现。
隧穿电流与两极的距离成指数关系，反馈原理是采用横流模式，当两极间距不同（电流不同），系统会调整Z轴的位置从而成高度像。
利用扫描探针显微镜研究材料表面
利用扫描探针显微镜研究材料表面随着科技的不断进步，材料表面的研究变得愈发重要。
在材料科学中，材料表面的特性对于材料的性能、功能以及应用可能起着决定性的作用。
为了更好地理解材料表面的性质，人们使用了各种各样的技术，其中一种便是扫描探针显微镜。
扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy，SPM）是一种基于扫描探针的显微技术，通过探测器与样品之间的相互作用来研究材料表面的形态、结构以及性质。
这种技术具有高分辨率、高灵敏度和非破坏性等特点，能够在纳米尺度下观察和测量材料表面的微观结构和性质。
其中一种常见的扫描探针显微镜是原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）。
通过探针的尖端与样品表面的相互作用力，AFM能够绘制出材料表面的拓扑图像。
AFM可以实现高分辨率的表面测量，其分辨率可以达到纳米甚至次纳米级。
AFM的工作原理基于探针的尖端与样品表面之间的相互作用力。
探针的尖端通过弹性力与样品表面保持接触，并且在扫描过程中受到表面特征的影响。
通过感应探针尖端的弯曲变化，可以获取关于样品表面形貌以及力学性质等信息。
除了原子力显微镜，扫描探针显微镜还包括场发射显微镜（Field Emission Microscope，FEM）和电子探针显微镜（Electron Probe Microscope，EPM）等。
这些显微镜在不同的研究领域中发挥着重要的作用。
利用扫描探针显微镜进行材料表面研究可以帮助我们深入了解材料的结构和性质。
例如，通过观察材料表面的拓扑图像，可以分析材料的表面形状、纹理以及粗糙度等特征。
这对于材料的制备和性能的改善非常重要。
此外，扫描探针显微镜还可以用于研究材料表面的化学性质。
通过结合特定的化学探针，可以实现对材料表面化学组成和反应的表征。
这有助于我们了解材料的化学性质，并且为材料的应用提供参考。
扫描探针显微镜在材料科学领域的应用非常广泛。
它可以应用在金属、陶瓷、半导体、生物材料等各种类型的材料中。
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形貌像
VE-AFM像 像
聚苯乙烯上的Si油膜分散样品的测量数 聚苯乙烯上的 油膜分散样品的测量数 据。 在表面形貌像上， 在表面形貌像上，可以知道附着的薄油 形貌像上 膜部分比底材的聚苯乙烯软。 膜部分比底材的聚苯乙烯软。 （测量范围 10×10µm） × ）
SPI
LM-FFM（横向振动摩擦力模式） （横向振动摩擦力模式）
SPI
VE-AFM/DFM（微粘弹性模式） （微粘弹性模式）
【测量原理】 测量原理】 模式下， 在AFM模式下，使扫描 模式下 器边产生Z方向微小振动 器边产生 方向微小振动 ，边加一定周期的力在样 品上， 品上，将这时的悬臂的弯 曲振幅影象化， 曲振幅影象化，以测量粘 弹性的表面分布。 弹性的表面分布。 【特征】 特征】 可同时测量物质表面的形 貌像及粘弹性分布。 貌像及粘弹性分布。
Photo Detector Pre Amp.
ω ingredient (Aω) ωr ingredient （ Ａω）ｒ ）
F
Vs : Surface potential
Vrsinωrt(for cantilever vibration) Potential control I gain
Sample PZT scanner It is set in the KFM measurement.
SPI
Contact AFM（Atomic Force Microscope） AFM（ Microscope）
SPI
DFM（ DFM（Dynamic Force Mode） Mode）
PZT
SPI
Surface Processing by SPM (Vector Scan)
Before processing
Observation・Analysis ⇒Processing
AFM Lithography by oxidization with elec. field
Scan（1μｍ Vector Scan（1μｍ□ ）
SPI
扫描探针显微镜原理
标准配置功能
♦Contact AFM（接触式原子力模式） ♦DFM (动态力模式，包括非接触式和间歇接触式原子力模式) ♦Phase Mode（相位模式） ♦FFM (摩擦力模式) ♦MFM (磁力模式) ♦Vector Scan（矢量扫描，纳米刻蚀） ♦Force vs Distance Curve (力曲线测量模式)
HD ＣＤ・ ＣＤ・ＤＶＤ Memory Ceramics Metal Rubber Cell ＤＮＡ
Topography Mechanical Electric Magnetic Optical Processing
Ra ・ Particle & grain analysis ・ Pitch & height measurement VE ・ Friction ･ Adhesion ･ Hardness（Nano-indentation） Hardness（Nano-indentation）
SPI
Comparison of AFM and DFM AFM
AFM
Contact
Mode
DFM
Cycric-Contact Non-Contact
Interaction
Large （～10 Large （～ 10 - 9 N)
●Symple ●3D Atomic image ●Pysical property at contact state ●Influence adhesive and charged sample
Small （～10 Small （～ 10 - 1 1 N)
●Advantage of soft materials ●Setup of very small force ●Pysical property at Intermittent non-contact state
Feature
●Frection ●VE ●VE - AFM Application ●Adhesion ●Current
Cantilever
Direction of scanning
Electrolyng
SPI
扫描探针显微镜原理
物理特性测量
♦VE-AFM/VE-DFM (微区粘弹性测量模式) ♦LM-FFM (切向调制摩擦力测量模式) ♦ ♦Surface Potential Microscope KFM(表面电位势测量模式KFM) ♦Piezo Response Mode（压电响应模式）
SPI
扫描探针显微镜原理及其应用
SPI
扫描探针显微镜的历史
General term of a type microscope, which performs surface form observation in minute domain by detecting
the physics properties
PZT Scanner
Metal Probe
Electron Cloud Tunnel Current
X,Y-Scan Computer Z-Servo Tunnel Current Amplifier
Electric Conductive Sample
Bias Voltage Monitor
SPI
Voff
Potential feedback (Voff is controlled to Aω=0) => surface potential Vs=-Voff be detected. Z servo (Z is controlled to ⊿Aω= const. ) => topography (Z) is detected.
between probe and sample.
STM (1981 invention 1987 utilization) AFM (1986 invention 1990 utilization)
Probe Sample surface physical interaction
DFM（Dynamic Force Mode） （ ） FFM (Friction Force Microscope) MFM (Magnetic Force Microscope) VE-AFM (Viscoelasticity AFM) KFM (Surface potential) SNOM
Topography（ μ □ Topography（5μm□）
FFM
LM-FFM
SPI
KFM（表面电位显微镜） （表面电位显微镜）
Signal
Magnification
Lock-in amplifier 2ωingredient （ Ａ2ω ）
【可得到什么信息？】 可得到什么信息？ 样品微小区域的表面电 位分布 测量原理】 【测量原理】 利用作用于探针－ 利用作用于探针－样品 间的静电力来测量样品 的表面电位 特征】 【特征】 测量电位 ：±10V 电位分辨率 约1mV 可测量厚度在数100µm 可测量厚度在数 以下的样品 应用领域】 【应用领域】 金属，半导体，陶瓷等 金属，半导体，陶瓷等
SPI
Applications of Multi-function SPM MultiSemiSemi- Ferroelectric conductor device
Ｓｉ ＧａＡｓ Memory Thin film
Storage Inorganic Polymer Biotechnology device Plastic Glass Protein
Z
VACsinωt (for AC electric field)
SPI
扫描探针显微镜原理
电特性测量
♦STM（扫描隧道测量模式） ♦AFM with Current measurement Mode (AFM同时电流测量模式) ♦AFM-CITS (AFM电流隧道谱)
SPI
Scanning Tunneling Microscope
800μm 800μm 10 mm
X,Y resolution/m
SPI
扫描探针显微镜的优势
Atomic Image HOPG） （HOPG）
High Resolution in 3D image
STM（～2nm□ STM（～2nm□） （～2nm
MagnetMagnet-Optical Disk
Topography & Physical property
MFM（10μm□ MFM（10μm□）
Measurement in various environment
~ In Air，High Vacuum，Liquid，Heat，Cool，Magnetic Field
Before After
Lung cancer cell among culture solution DFM（100μm□ DFM（100μm□）
INPUT
Vibration Signal to PZT
(1～10kHz) ～
(Large) (Small)
Cantilever PZT
OUTPUT Deflection Signal of Cantilever
OUTPUT Deflection Signal of Sample
（Small） Small） （Large） Large）
SPI 扫描探针显微镜与其他显微镜在分辨能力上的比较
10 mm Z resolution/m
15μm 15μm
SEM TEM
Optical Microscope
10μm 10μm
10 nm
SPM