扫描探针显微镜
第10章 扫描探针显微镜
STM工作原理说明 STM工作原理说明
• 对于如此微小的扫描移动和精确的距离控制， 对于如此微小的扫描移动和精确的距离控制， STM的实现方法 依靠压电陶瓷。压电陶瓷是一种 STM的实现方法—依靠压电陶瓷。 的实现方法 依靠压电陶瓷 性能奇特的材料， 性能奇特的材料，当在压电陶瓷对称的两个端面加上 电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。 电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。而伸 长或缩短的尺寸与所加的电压的大小呈线形关系。 长或缩短的尺寸与所加的电压的大小呈线形关系。既 可以通过改变电压来控制压电陶瓷的微小伸缩。 可以通过改变电压来控制压电陶瓷的微小伸缩。把三 个分别代表X，Y，Z方向的压电陶瓷块组成三角架的 个分别代表X 形状。通过控制X 形状。通过控制X，Y方向伸缩达到驱动探针在样品 表面扫描的目的； 表面扫描的目的；通过控制 Z 方向压电陶瓷的伸缩 达到控制探针与样品之间距离的目的。 达到控制探针与样品之间距离的目的。
扫描探针显微镜家族成员
显微镜名称 扫描隧道顕微鏡 STM:Scanning Tunneling Microscopy 原子力顕微鏡 AFM:Atomic Force Microscopy 近接場光学顕微鏡 NSOM:Near-field Scanning Optical Microscopy 磁力顕微鏡 MFM:Magnetic Force Microscopy 摩擦力顕微鏡 FFM:Friction Force Microscopy 检测的物理量 隧道电流 原子力 近接場光 磁力 摩擦力
STM工作原理说明 STM工作原理说明
• STM探针的尖端是非常尖锐的，通常 STM探针的尖端是非常尖锐的 探针的尖端是非常尖锐的， 只有一两个原子。 只有一两个原子。因为只有原子级锐度的 针尖才能得到原子级分辨率的图象， 针尖才能得到原子级分辨率的图象，STM 探针通常是用电化学的方法制作的。 探针通常是用电化学的方法制作的。也有 人用剪切的简单方法得到尖锐的针尖。 人用剪切的简单方法得到尖锐的针尖。
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。
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spm、afm
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。
２０１２ｉｓ ｃｏｍｉｎｇ(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。
扫描探针显微镜简介
2
第一部分
扫描隧道显微镜
Scanning Tunneling Microscope
检测器测量到这些交替变化的振幅值,再通过反馈回路,调整针尖 与样品之间的距离，保证振幅恒定在某一个恒定值,这样针尖在扫描 过程中的运动轨迹就反映了样品的表面形貌。
21
Atomic Force Microscope
• AFM characteristic
（一）在大气中，原子力显微镜同样具有原子级的分辨率。 （二）原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体， 从而弥补了STM的不足。 （三）可以进行样品高度方向的测定。
• Operating modes of AFM
– Static atomic force microscopy
Fts=constant – Dynamic atomic force microscopy
19
Atomic Force Microscope
Dynamic atomic force microscopy
10
SPM Family Tree
C-AFM
SThM LFM FMM PFM NSOM STS Standard modes Optional modes
11
EFM SCM
NC-AFM (DFM)
MFM
STM
第二部分 原子力显微镜
Atomic Force Microscope
Atomic Force Microscope
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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
力
0.1nm （原子 级分 辨率）
磁性探针－样品间的磁力
10nm
带电荷探针－带电样品间静电力 1nm
近场光学显微镜 SNOM
光探针接收到样品近场的光辐射 100nm
备注
统 称 扫 描 力 显 微 镜 SFM
扫描隧道显微镜 (scanning tunneling microscope)
扫描隧道显微镜 STM
溶液中，其工作温度可以在mK到1100K范围，并且探 测过程对样品无损伤； 5. 通过针尖与样品间的电学和力学作用，可以进行样品表 面的原子操纵或纳米加工，构造所需的纳米结构； 6. 配合扫描隧道谱STS可得到有关表面局域电子结构的信 息。
扫描隧道显微镜的原理结构
极细探针与研究物质作为两个探极。
层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表 面势垒的变化和能隙结构等 。
Байду номын сангаас
SPM分类
名称
检测信号
分辨率
扫 描 探 针 显 微 镜
SPM
扫描隧道显微镜 STM
原子力显微镜AFM
横向力显微镜LFM
磁力显微镜MFM 静电力显微镜EFM
探针-样品间的隧道电流
探针－样品间的原子作用力 探针－样品间相对运动横向作用
扫描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导电性才可以产生隧道电流。
1、隧道电流
（1）隧道效应
对于经典物理学来说，当一个粒子的动能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；
而按量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零， 也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒，这种现象称 为隧道效应。
隧道电流I是针尖的电子波函数和样品表面的电子波 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。
1
I Vb exp( A 2 S )
Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压， Φ[ =(Φ1 +Φ2)/2]是平均功函数,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。
STM的工作原理示意图
y
x
z
VT , I r
反馈回路
S
样品与针
B
尖间距
原子尺度 针尖
A
被分 析样
品
扫描模式
恒电流模式：适用于观察表面形貌起伏较大的样品。 恒高度模式：扫描速度快，减少噪音等，不能用于观察表
面起伏大于1nm 的样品。
（a）恒电流模式；
（b）恒高度模式
STM的仪器构造
STM Instrumentation
穿过的概率和距离有关，距离越近，穿过的几率越大。当两 个电极相距在几个原子大小的范围时，电子能从一极到达另 一极，几率和两极的间距成指数反比关系。
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。
V0
E
a
量子力学中的隧道效应
透射系数
T
16E（V0 V02
E）e
2a
2m(V0 E)
STM由具有减振系统的 头部(含探针和样品台)、 电子学控制系统和包括 A/D 多功能卡的计算机组 成。
• Tip • Scanner • Sample positioner • Vibration isolation • Control electronics
扫描探针显微镜
（Scanning Probe Microscope，SPM）
刘东
显微镜发展历史
第一代：光学显微镜(1676) 第二代：电子显微镜(1938) 第三代：扫描探针显微镜SPM （1982）
扫描探针显微镜
SPM(Scanning Probe Microscope) 是扫描隧道显微镜 STM及原子力显微镜AFM，激光力显微镜LFM，磁力 显微镜MFM等的统称，国际上近年发展起来的表面分析 仪器。
由上式可知，隧道电流I对针尖和样品之间的距离 S有着指数的依赖关系，距离S每减小0.1nm，隧 道电流就增加一个数量级。
如果利用电子反馈线路控制隧道电流恒定不变， 当针尖在样品表面扫描时，探针就会随样品表面 高度的变化而上下波动，将这种高度的变化记录 下来就得到样品的表面形貌，这就是STM的工作 原理。
扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope) 1982年，Gerd Binning及其合作者在IBM公司
苏黎世实验室共同研制成功了第一台 ，因此获 得1986 年的诺贝尔物理奖 。 STM是通过检测隧道电流来反映样品表面形貌 和结构的。
扫描隧道显微镜 STM出现的意义