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。
扫描探针显微技术(spm)
SPM在生物医学领域的应用将进一步 拓展，如细胞形态学、生物分子结构 和功能研究等。
实现多模式、多功能集成
多模式集成
将多种SPM模式（如隧道电流、力曲线、扫 描隧道谱等）集成在同一台仪器上，实现更 全面的分析。
多功能集成
将SPM与其他分析技术（如光谱学、质谱学 等）集成，实现更全面的材料和生物样品分
在生物学中的应用
细胞形态学研究
利用SPM技术可以观察细胞表面形态和微观结构，研究细胞生长、 发育和疾病发生机制。
生物分子相互作用
SPM技术可以用于研究生物分子之间的相互作用，例如蛋白质与 DNA、蛋白质与蛋白质之间的相互作用。
生物传感器
利用SPM技术可以制备高灵敏度的生物传感器，用于检测生物分子和 细胞活性。
03 SPM的工作模式
接触模式
总结词
在接触模式下，探针与样品表面直接 接触进行扫描。
详细描述
在接触模式下，探针的尖端与样品表面紧 密接触，通过探针的垂直运动来扫描样品 表面。这种模式可以提供高分辨率和高对 比度的图像，适用于硬质和脆性样品。
非接触模式
总结词
非接触模式中，探针与样品表面保持一 定距离，避免直接接触。
在表面科学中的应用
表面形貌分析
SPM技术可以对材料表面进行高精度的形貌分析，研究表面粗糙 度、晶面取向等特性。
表面化学分析
结合其他分析手段，SPM技术可以用于研究表面化学组成和元素 分布。
表面改性
通过SPM技术可以对材料表面进行改性，例如在金属表面形成硬 质涂层、在玻璃表面制备防雾涂层等。
05 SPM的未来发展
宾宁和罗雷尔因此获得 了诺贝尔物理学奖。
原子力显微镜（AFM） 问世，由IBM苏黎世研究 实验室的伊瓦尔·冈萨雷 斯（Ivar Giaever）发明。
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。
扫描探针显微镜-SPM
扫描探针显微镜的特点
1. 分辨率高
横向分辨率可达
0.1nm
纵向分辨率可达
0.01nm
HM：高分辨光学显微镜；PCM：相反差显微镜；(S)TEM：（扫描）透射电子显微镜；FIM：
场离子显微镜；REM：反射电子显微镜
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扫描探针显微镜的特点
2、可实时地空得到实时间中表面的三维图像，可用于具有 周期性或不具备周期性的表面结构研究。
可用于表面扩散等动态过程的研究。
3、可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整 个表面的平均性质。
可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置， 以及由吸附体引起的表面重构等。
4、可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样 品浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术，并且探测过 程对样品无损伤。
小
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扫描探针显微镜
扫描探针显微镜（SPM）背景历史 SPM特点 扫描隧道显微镜（STM） 原子力显微镜 SPM的发展 SPM主要应用
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扫描隧道显微镜
STM基本原理 STM仪器的基本构成 STM工作模式 STM主要应用
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扫描隧道显微镜（STM）的工作原理是基 于量子力学的隧道效应。
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隧道效应的透射系数
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为表彰STM（1982）的发明者们对科学研究的 杰出贡献，宾尼和罗雷尔与电子显微镜 （1931-1933）发明人鲁斯卡分享了1986年诺 贝尔物理学奖。
G.Binning
H.Rohrer 7
扫描探针显微镜的发展
扫描隧道显微镜（STM）
原子力显微镜 （AFM） 扫描近场光学显微境（SNOM） 弹道电子发射显微镜（BEEM）
针尖 空气 导电样品
第一部分,SPM原理简介
第一部分，SPM原理简介一、 定义SPM包括多种成像模式，它们的共同特点是探针在样品表面扫面，同时针尖/样品相互作用力被记录。
两种基本形式1、STM2、AFMz两种主要模式：1.接触式AFM2.轻敲式AFM一、 其它形式的SPMz Lateral Force Microscopyz Magnetic Force Microscopyz Electric Force Microscopyz Surface Potential Microscopyz Force V olumez Piezorsponse Force Microscopyz Conductive AFMz Torsional Resonance Microscopy二、 STM原理及应用原理简介：应用量子力学中的隧穿效应。
它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，当它们之间的距离小到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达另一电极，形成遂川电流。
在极间加很小偏压，即有净隧穿电流出现。
遂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。
只能测试导电样品。
应用：z形貌像z STS（扫描隧道谱）三、 AFM原理及应用：AFM的反馈原理，是探针在样品表面扫描，针尖顶部原子的电子云压迫样品表面原子的电子云时，会产生微弱的排斥力，如：范德瓦尔斯力、静电力等，力随样品表面形貌的变化而变化。
同时针尖/样品相互作用力被记录，通过激光束探测针尖的位移，从而得到样品的形貌。
z接触式反馈原理：针尖与样品距离比较近，靠悬臂的偏折量反馈，扫描过程中要保持恒定的偏着量，当样品的表面高低变化时，悬臂的偏折量也会随之变化，要保证恒定的偏折量，就要改变Z轴的位置从而成高度像。
z轻敲式反馈原理：扫描过程中悬臂以一定的频率和振幅在振动，轻敲模式靠振幅反馈，扫描过程要保持恒定的振幅，当样品表面高低变化时，悬臂的振幅也会随之变化，要保证恒定的振幅，就要改变Z轴的位置从而成高度像。
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。
Veeco DI 扫描探针显微镜(SPM)简介
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-2-
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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。
应用范围：导电样品●形貌像●扫描隧道谱（STS）三、AFM原理及应用AFM的反馈原理：探针在样品表面扫描，针尖顶部原子的电子云压迫样品表面原子的电子云时，会产生微弱的排斥力，如：范德华力、静电力等，力随样品表面形貌的变化而变化。
同时针尖与样品表面的相互作用力被记录，通过激光光束探测针尖的位移，从而得到样品的形貌。
●接触模式（contact mode）反馈原理：针尖与样品距离比较近，靠悬臂梁的偏折量反馈，扫描过程中要保持恒定的偏折量，当样品表面的高低变化时，悬臂的偏折量也会随之变化，要保证恒定的偏折量，就要改变Z轴的位置从而成高度像。
●轻敲模式（tapping mode）反馈原理：扫描过程中悬臂以一定的频率和振幅在振动，轻敲模式靠振幅反馈，扫描过程要保持恒定的振幅，当样品表面高低变化时，悬臂的振幅也会随之变化，要保证恒定的振幅，就要改变Z轴的位置从而成高度像。
两者的优势和劣势：●接触模式扫描速率快，适合做一些相对比较粗糙的样品，且对样品表面和针尖的损伤都较大，成像质量不如轻敲模式。
●轻敲模式的扫描速率相对较慢，适合测试比较平整的样品，对样品盒针尖的损伤较小，图像质量好。
四、压电扫描器压电陶瓷的伸缩量与所加的电压成非线性关系，存在滞后效应和老化效应。
经过校正系统已经把这种非线性效应考虑进去并消除。
扫描过程中，样品台静止，探针振动（电压驱动压电陶瓷运动）。
五、探针介绍探针有很多种，但它们都有共同特点，由三部分组成：针尖、悬臂、氮化硅或硅衬底。
●针尖很细，曲率半径在20nm左右，整个反馈就靠针尖和样品直接的作用力变化。
●悬臂是反射性很好的材料，主要左右是接受激光信号并反射给探测器，这样探测器才能探测到悬臂的振动情况，进而成像。
●衬底用于把探针固定在探针夹上。
●用于接触模式的探针主要是SNL-10探针而用于轻敲模式的为RTESP探针，它们的主要区别在于力学参数和几何形状不同。
SNL-10探针的悬臂是三角形的，弹性系数较小；RTESP探针的悬臂是长方形的，弹性系数较大。
六、Bruker Multimode III SPM操作步骤总体步骤：打开计算机→组装仪器（base→scanner→head）→打开仪器主机→打开软件→装针→调激光→装样品→选择扫描区域→进针→调节扫描参数→保存→退针→关闭仪器主机→拆解仪器（head→scanner→base）→关闭计算机AFM Tapping Mode1. 组装仪器按照各仪器部件从下到上的顺序组装：Base →Scanner →Head注意：Base 上的数据线禁止热插拔，即开控制器前必须先将数据线与Base 连接好，亦应先关控制器再拔掉Base 上的数据线。
2. 开机①. 打开计算机、显示器和光源②. 打开控制器注意：开机顺序必须是先开计算机，再开控制器。
3. 启动软件①. 双击桌面nanoscope v5.31软件②. 点击，在Microscope Select中选择所需模式③. 点击Microscope，选择要使用的扫描器：扫描器上有标注，分J型（分辨率低）和E型（分辨率高）。
④. 点击Microscope菜单中点击profile中的Tapping AFM，然后点击“Load”，进入Tapping模式的界面。
4.装样&装探针①. 装样：将固定在铁片上的样品放入带有磁性的样品台上，使其吸住铁片和样品。
注意调节样品台高度，通常应使样品的上表面不明显高于head上的支点顶部，以防止装holder时探针直接压到样品上而损坏探针。
②. 装探针：将探针（Tapping mode一般可选RTESP）安装在tip holder上。
安装时，把holder翻转放在桌面上，轻轻下压，使里面凹槽内的金属片微微上翘。
随后装入探针(注意要再翻转回来，否则针尖可能撞坏)，并松手使金属片压紧探针（此步骤应十分小心，很容易损坏针尖，新手可先拿几只废针尖练手）。
装完探针后将holder卡在head突出的支点上摆放平稳，然后拧紧head背面的固定旋钮（下图中的Clamping screw）5.调激光注意：首先可先使样品与针尖略微接近，应通过肉眼观察将激光光斑打至悬臂前端位置，此时针尖前端有反光且针尖正下方应有激光光斑。
方法一（以轻敲模式矩形悬臂的探针为例）①.摘掉固定head用的弹簧，并将head取下；注意，摘弹簧时必须将head抓稳，否则当一端的弹簧摘下时由于两侧受力不均，容易摔到head。
②.取一张白纸置于head的正下方，激光光斑将出现在白纸上。
如没有出现则逆时针旋转head上部靠右端的激光控制旋钮(下图中的X-axis)，直到能看到光斑；③. 调节head 上部靠右端的激光控制旋钮（X-axis, 调光斑左右位置），顺时针往右调至光斑消失再逆时针至光斑出现（见下图中的过程1）；④. 调节head 上部靠左端的另一个激光控制旋钮（Y-axis, 调光斑上下位置），使探针悬臂挡住光即光斑消失（见下图的过程2）；⑤. 逆时针调节探头上部靠右端的激光控制旋钮（X-axis ），使光斑再度出现，紧接着顺时针调节旋钮至光斑刚刚消失，此时光斑正打在悬臂前端（过程3）； ⑥. 将head 重新装上并扣好弹簧。
方法二①. 调节光学显微镜镜头位置，自上而下调节可分别看清探针、样品；②. 聚焦到针尖下的样品表面, 使样品成像清晰；如果样品为透明样品，则可以根据调节CCD 中针尖成像位置聚焦到样品表面。
上（针尖实像）针尖实像与虚像中间位置即为样品表面③. 调节扫描管下端的两个手动旋钮（三支点扫描管）和“up/down”开关（若为EV 或JV 扫描器，则直接按up/down 开关），使悬臂也基本聚焦； 132④.使用底座上的位置调节旋钮调节显微镜视场，找到激光光斑；⑤.使用head上部两个方向的激光调节旋钮将激光光斑打在悬臂前端；的圆点。
6.调四象限探测器（目的：使反射激光打在四象限中心）：①.调head后部反光镜（下图中Photodetector mirror lever），使sum值最大；②.将底座上的模式选择键（下图中的Mode selector switch）打到“AFM&LFM”上，此时边上的指示灯显示的是红色；③.调head上部两个四象限(A、B、C、D)旋钮（下图中的Photodetector mirroradj.），分别使底座上显示的vert和horz接近0（表明反射激光在四象限中心位置）Vert==0Horz= =0④.将模式选择键打到“TM AFM”上，此时边上的指示灯会显示绿色如采用方法一调光斑，则继续完成步骤a和b：a. 调节光学显微镜物镜位置，自上而下调节可分别看清探针、样品，并将显微镜聚焦到样品位置。
b. 调节扫描管下端的两个手动旋钮（三支点扫描管）和“up/down”开关（若为EV或JV扫描器，则直接按up/down开关），使悬臂也基本聚焦。
7. 找悬臂的共振峰（Cantilever Tune）①.点击软件中图标②.进入Tune界面后选择合适的Start and End Frequency（可参考探针盒上的参数f0的范围）, Target Amplitude(通常1-2V，最大亦可到5V) 和 Peak offset（通常5%）③.单击Auto Tune选项，计算机会自动的完成剩下的操作④.点击回到呈像模式8. 初始化扫描参数可将integral gain和proportional gain初始值分别设为0.5和0.7； scan rate小于2Hz；扫描范围小于1 m；Scan Angle设为0；X, Y offset也设定为0；Z limit 设为最大（6.138），Channel 1中的Data type设置成Height。
9. 进针①.用head下部的靠左和靠前两个旋钮（下图中的1和2）移动head位置，使探针位于样品上所要测量的区域（可在CCD上观察探针和样品位置关系）。
②.执行Motor菜单下的Engage命令，或点击,进针。
10. 优化扫描参数①.在View菜单下选择Scope Mode，或点击Scope Mode图标。
观察Chanel 1中Trace和Retrace两条曲线的重合情况。
②.主要调节参数：增益（Gain）和作用力（Set point）。
●增益越大，反馈越灵敏，但是太大就会把噪音信号也反馈进去，所以有一个合适的值。
●对于轻敲模式，set point越小，作用力越大；最理想的设置是用尽可能小的作用力扫描出真实、清晰的图像。
③.减小Amplitude Setpoint直到两条扫描线基本反映同样的形貌特征。
④.优化integral gain和proportional gain（初始值均可设为0.2）。