扫描探针显微镜scanning
扫描探针显微镜安全操作及保养规程
扫描探针显微镜安全操作及保养规程简介扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是一种非常重要的物理、化学、生物实验室设备。
它可以用于分子、原子水平的表面形态特征的观察，从而为理解表面物理、化学、生物学的基本规律提供了帮助。
本文主要介绍扫描探针显微镜的安全操作及保养规程。
安全操作1.使用前请检查仪器设备是否完好。
对于已损坏的仪器设备，请及时报修或更换。
2.在使用扫描探针显微镜前，应戴上手套、口罩、护目镜以及实验服等个人防护用品，避免强光照射。
3.在使用扫描探针显微镜前，请先仔细阅读使用手册，并参考实验教师的指导。
4.在操作时，请勿将手伸入试验仪器，以免被探针划伤或弯曲。
5.在操作前需要先将仪器组装好，运行后进行试验。
6.我们需要在SPM操作镜头正前方平面上涂覆样品。
样品处理要确保样品是干燥、净的和适当地铺在扫描头上。
7.需确保实验舱内的温度、湿度以及气氛等环境指标符合实验要求。
需要特别注意的是，应避免尤其是避免将扫描探针显微镜接通电源后，进行调整与安装工作，此过程中的误操作会对人员安全生命构成重大的威胁。
同样，任何情况下都不得将未得到学校许可或未通过审核的仪器、设备、电器加入SPM系统中，以免造成波及，谢谢您的合作。
保养规程SPM是一种高精度设备，因此需要正确的保养。
正确的保养可以扩大设备寿命，提高设备精度，在很大程度上影响用户实验研究的准确性和科学性。
此处我们将介绍SPM保养的规程：1.坚持对设备进行定期的保养。
对设备进行常规的保养，可以防止故障的发生、维修的次数减少及设备寿命的提高。
对于设备保养，可以参考相关的使用手册及保养手册。
2.对于设备进行定期的维护润滑。
定期使用硅橡胶浮子进行润滑，可以使探针头与样品之间减小摩擦，从而提高设备的使用寿命。
3.定期对设备进行清洁。
在使用设备时，应避免将灰尘、液滴或其他物质附着在设备内部或外部，可使用抗静电布对设备进行擦拭。
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。
扫描探针显微镜成像原理
扫描探针显微镜成像原理扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy, SPM）是一种高分辨率的表面分析和制备技术，目前已经成为材料科学、物理学、化学、生物学等领域中不可或缺的工具。
其主要原理是利用探针在样品表面进行扫描，并通过感知器测量样品表面力、电流、电压等信号，以获得样品表面形貌、电荷分布、力和磁性等物理数据，从而实现对样品表面微观结构的观测和操纵。
SPM技术主要分为场发射扫描电子显微镜（Field Emission Scanning Electron Microscopy, FESEM）和扫描探针显微镜两大类。
扫描探针显微镜包括了原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）、磁力显微镜（Magnetic Force Microscopy, MFM）、静电力显微镜（Kelvin Probe Force Microscopy, KPFM）和电荷注入记录显微镜（Scanning Capacitance Microscopy, SCM）等多种类型。
本文将主要介绍原子力显微镜的成像原理。
原子力显微镜（AFM）是20世纪80年代初期发明的一种新型扫描探针显微镜。
它采用的是一种机械测量方法，利用管壳、针、针尖等传感器进行扫描，对样品表面进行接触式的探测，可以实现纳米级别的表面形貌检测和测量。
AFM显微镜主要由扫描机构、探针和控制系统组成。
扫描机构控制扫描探针在样品表面进行扫描，探针则负责探测样品表面的形态变化和材料力学性质。
控制系统则通过信号采集与处理，将探针扫描时所接收到的信号转换成图像。
探针是AFM图像获得的关键之一。
探针直接接触样品表面，测量样品表面形貌的方法是通过探针尖端与样品表面的相互作用来实现的。
探针通常是由硅或氮化硅材料制成，尖端则是采用电子束刻蚀、化学腐蚀、电解腐蚀或氙气离子束刻蚀的方法来加工制作。
当探针尖端接触到样品表面时，由于原子间作用力的存在，会产生相互作用力的变化。
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。
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。
扫描探针显微镜
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。
（2）隧道电流
扫描隧道显微镜是将原子线度的探针和样品表 面作为两个电极，当样品和针尖的距离非常接近时 （通常小于1nm），在外加电场的作用下，电子会 穿过两电极之间的势垒流向另一电极，从而形成隧 道电流。因此，STM图像是样品表面原子几何结构 和电子结构的综合效应的结果。
控制探针在被检测样品的表面进行扫描，同时记录下 扫描过程中探针尖端和样品表面的相互作用，就能得到 样品表面的相关信息。
利用这种方法得到被测样品表面信息的分辨率取决于 控制扫描的定位精度和探针作用尖端的大小（即探针的 尖锐度）。
SPM的特点
原子级高分辨率 ； 实空间中表面的三维图像 ； 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; 可以得到有关表面结构的信息，例如表面不同
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。
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阔的前景，被国际科 学界公认为二十世纪八十年代世界十大科技成 就之一。
Gerd Binning (IBM) (1947-)
Heinrich Rohrer (Zurich) (1933-)
In Touch with Atoms
In Touch with Atoms
美国商用机 器公司利用STM 直接操作原子， 成功地在Ni上， 按自己的意志安 排原子合成IBM 字样。
STM的优点
1. 高分辨率，分辨率横向0.1nm、纵向0.01nm； 2. 可实时地得到在实空间中表面的三维图象； 3. 可观察单个原子层的局部表面结构； 4. 可在真空、大气等不同环境下工作，甚至可将样品浸在
扫描探针显微镜工作原理
扫描探针显微镜工作原理
扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是一种
高分辨率显微镜，能够实现对物质表面的原子级别成像。
其工作原理基于显微针（probe）的扫描和相互作用力的测量。
1. 探针的制备：显微针一般是由导电材料制成，如金属或半导体材料。
常用的探针形状包括尖锐的金字塔、圆锥或纳米线等。
2. 扫描：探针通过微机械控制精确地扫描物体表面。
扫描方式一般有两种：原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）和隧道电子显微镜（Scanning Tunneling Microscopy，STM）。
3. 相互作用力测量：
- AFM：探针尖端与样品表面之间的相互作用力会改变探针
的弯曲度或振动频率，并通过探针弹性常数和振幅的变化来测量相互作用力。
常用的工作模式有接触模式、非接触模式和谐振模式。
- STM：通过将探针靠近样品表面，利用隧道效应中的电子
隧道电流来实现相互作用力测量。
由于隧道电流强依赖于针尖与样品之间的距离，通过测量电流变化可以获得样品表面的几何拓扑图像。
4. 数据处理和成像：根据探针的扫描轨迹和相互作用力的测量结果，可以得到物体表面的几何形貌和性质。
通过计算机图像处理算法进行数据处理和分析，可以生成高分辨率的原子级别表面成像。
扫描探针显微镜具有高分辨率、操作灵活等优点，并可以应用于材料科学、生物学、纳米技术等领域的研究和应用。
扫描探针显微镜
College of MSE, CQU
材料现代分析方法
扫描探针显微镜分析技术
STM应用例－铜单晶表面吸附的硫酸根离子
在电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶(111) 表面的STM图象。图中硫酸根离子吸附状态的一级和二 级结构清晰可见。
College of MSE, CQU 20
材料现代分析方法
STM加工例－文字的书写
从MoS2表面除去S原子写 成原子文字“PEACE 91”
从MoS2表面除去S原子的 操作方法
28
College of MSE, CQU
材料现代分析方法
扫描探针显微镜分析技术
STM应用例－世界上最小的广告
5nm/个
Xe
Ni
1990年1月，IBM公司的科学家在金属镍表面用35个惰性气体 氙原子写出“IBM”三个英文字母。试验发现STM的探针不仅能 得到原子图象，而且可以将原子吸住，搬运到另一个地方放下。
College of MSE, CQU
检测的物理量
隧道电流 原子力 近接场光 磁力 摩擦力 超音波 离子传导
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材料现代分析方法
扫描探针显微镜分析技术
扫描隧道显微镜（STM）
量子力学原理：
根据量子力学理论和科学实验证明，当具有电位 势差的两个导体之间的距离小到一定程度时，电 子将穿透两导体之间的势垒从一端向另一端跃 迁。这种电子跃迁的现象在量子力学中被称为隧 道效应，而跃迁形成的电流叫做隧道电流。隧道 电流有一种特殊的性质，既对两导体之间的距离 非常敏感，如果把距离减小0.1纳米，隧道电流就 会增大一个数量级。 STM就是利用了这种隧道效 College of MSE, CQU 9 应。
College of MSE, CQU 4
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扫描探针显微镜（scanning probe microscope,SPM） 一、 设备简介：
该仪器集成原子力显微镜(AFM)、摩擦力显微镜(LFM)、扫描隧道显微镜(STM)、磁力显微镜(MFM)和静电力显微镜(EFM) 于一体，具有接触、轻敲、相移成像、抬起等多种工作模式，能够提供全部的原子力显微镜 (AFM) 和扫描隧道 (STM) 显微镜成像技术，可以测量样品的表面特性，如形貌、粘弹性、摩擦力、吸附力和磁/电场分布等等。
●分辨率
原子力显微镜(AFM)：横向 0.26nm, 垂直 1nm（以云母晶体标定） 扫描隧道显微镜(STM)：横向 0.13nm, 垂直 0.1nm（以石墨晶体标定）●机械性能
样品尺寸：最大可达直径12mm，厚度8mm
扫描范围：125X125μm，垂向1μm
●型号：
Veeco NanoScope MultiMode扫描探针显微镜
本次培训着重介绍该设备常用模式：Contact Mode AFM
二、AFM独特的优点归纳如下:
(l)具有原子级的超高分辨率。
理论横向分辨率可达0.1nm，而纵向分辨率更高达0.01nm。
，从而可获得物质表面的原子晶格图像。
(2)可实时获得样品表面的实空间三维图像。
既适用于具有周期性结
构的表面，又适用于非周期性表面结构的检测。
(3)可以观察到单个原子层的局部表面性质。
直接检测表面缺陷、表面重构、表面吸附形态和位置。
(4)可在真空、大气、常温、常压等条件下工作，甚至可将样品浸在液体中，不需要特殊的样品制备技术。
三、AFM的基本原理:
AFM基于微探针与样品之间的原子力作用机制。
以带有金字塔形微探针的“V”字形微悬臂(Cantilever)代替STM的针尖，当微探针在z向逼近样品表面时，探针针尖的原子与样品原子之间将产生一定的作用力，即原子力，原子力的大小约在10-8~10-12N之间。
与隧道电流类似，原子力的大小与探针一样品间距成一定的对应关系，这种关系可以由原子力曲线来表征一般而言，当探针充分逼近样品进入原子力状态时，如两者间距相对较远，总体表现为吸引力;当两者相当接近时，则总体表现为排斥力。
原子力变化的梯度约为10-13N/nm。
原子力虽然很微弱，但是足以推动极为灵敏的微悬臂并使之偏转一定的角度。
因此，微悬臂的偏转量与探针一样品间距成对应关系，在对样品进行XY扫描时，检测这一偏转量，即可获得样品表面的微观形貌。
图表 1 AFM原理示意图
图表 2 AFM测试点示意图
四、启用AFM(contact)功能测试步骤： 开机顺序：
z开启设备电脑开关及双屏显示器；
z开启显微镜光源；
z开启光学显微镜CRT显示器电源；
z将设备主部隔尘罩小心地取下，将显微镜调整至设备主机方向，光斑打到载物台中心处；
z打开设备主机电源，在主机controller的控制板上，确认AFM模式；
z打开pc中的 软件，激活软件与设备主机连接图标；
z在软件中设置当前样品需要的扫描范围，台阶高度，扫描速度等参数；台阶高度不可超多1μm，扫描速度设置在5μm/s以内为宜；
z倾斜着取下AFM针夹具，倒置于滤纸上，放于衣袖碰触不到的地方，以免碰伤悬臂
z放样品，样品粘于专用样品台片上，
z调整样品位置，在CRT上观察确定样品测试点位于下针位置附近；z放置AFM测试夹具，一定要小心，注意观察悬臂与样品表面的距离，若相距太近，则将测试夹具小心取出，放置妥当后，使用手动抬针方法将三个支柱抬高，同时保证三支柱设备光路台面水平；z高度调节到安全距离以后，小心地放入AFM针测试夹具,用肉眼结合CRT上观察确定样品与针的保持一段距离；
z固定夹具，此时主机显示屏上，标定激光器电压的SUM值为7V左右;
z探测器的水平偏差值（Horiz）接近0.0V,垂直偏差（Vert）接近
-2.0V；
z开始手动下针，注意时时观察光学显微镜CRT，下针过程中注意三轴的同步；
z当样品表面与悬臂焦距接近时，调节此时的horizontal deflection和vertical deflection值，分别至0V和-0.7～-0.8V 附近
z单击启动软件中自动下针控件，下针过程中注意观察主机中的水平偏差值（Horiz）和垂直偏差（Vert），示值趋势是减小的为正常；
z下针完成后，将扫描频率调低（即降低扫描速度），设置X轴与Y 轴的offset值（offset范围不得超过70μm），确定扫描位置和范围后，重新开始从上往下或从下往上扫描，并拍取图象。
z扫描完毕后，软件抬针，处理数据，保存。
z手动抬针，小心地将夹具取出，置于安全的位置，再取出样品，将载样品的圆片置于培养皿中，针测试夹具放回设备主机中。
关机顺序：
z关闭设备主控电源；
z关闭光学显微镜CRT电源、光源；
z将光学显微镜置于原本所在方向，盖上物镜盖；
z将主机隔尘罩小心的罩于主机上；
z关闭计算机电源及双屏显示器电源；
五、注意事项：
z此为精密设备，需倍加爱护；
z该设备需熟练掌握下针技巧后，才可独立操作；
z针夹具取出后，一定倒置于滤纸上，并保证放于衣袖碰触不到的地方；
z下针过程中注意观察主机中的水平偏差值（Horiz）和垂直偏差（Vert），示值趋势是减小的为正常；
z显微镜视场光斑打到样品台中心位置，保证样品台平整时，针在视场的中心位置；
z手动下针的过程中，调三轴调节钮时，注意观察水平偏差值（Horiz）和垂直偏差（Vert）；
z自动下针完成后，在调节X,Y offset确定扫描位置和范围的时候，务必先将采样频率降低；
z测试过程中，密切注意测试状态：显示CRT上针的状态及软件中可能出现超限提示的部分；
z测试过程中，尽量保正环境气流稳定，请缓慢行走，轻轻关门；
六、本设备其它功能：
以下为本设备理论上可实现的各种功能（需要购买相应配件予以实施）：
Appendix：
The MultiMode performs a full range of SPM techniques for surface characterization of properties like topography, elasticity, friction, adhesion, electrical and magnetic fields:
Tapping Mode
Contact Mode AFM
Phase Imaging
Lateral Force Microscopy (LFM)
Magnetic Force Microscopy (MFM)
Scanning Tunneling Microscopy (STM)
Force Modulation
Electric Force Microscopy (EFM)
Scanning Capacitance Microscopy (SCM)
Surface Potential Microscopy
Force-Distance and Force-Volume Measurements
Nanoindenting/Scratching
Electrochemical Microscopy (ECSTM and ECAFM) Phase Imaging
PicoForce Force Spectroscopy
and many more。