扫描探针显微镜在材料科学中的应用
扫描探针显微镜在材料表征的应用
扫描探针显微镜在材料表征的应用褚宏祥【摘要】作为一种广泛应用的表面表征工具,扫描探针显微镜(SPM)不仅可以表征三维形貌,还能定量地研究表面的粗糙度、孔径大小和分布及颗粒尺寸,在许多学科均可发挥作用.综述了国外最新的几种扫描探针显微表征技术,包括扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)和近场扫描光学显微镜(SNOM)等方法, 以纳米材料为主要研究对象,展示了这几种技术在表征纳米材料的结构和性能方面的应用.【期刊名称】《曲阜师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2010(036)002【总页数】5页(P80-84)【关键词】材料表征;SPM;STM;AFM;NOSM【作者】褚宏祥【作者单位】曲阜师范大学物理工程学院,273165,曲阜市;淄博师范高等专科学校科研处,255130,山东省淄博市【正文语种】中文【中图分类】O434.14纳米材料的分析和表征对纳米材料和纳米科技发展具有重要的意义和作用.纳米科学是在纳米尺度上(0.1 nm-100 nm),其本身具有量子尺寸效应,小尺寸效应,表面效应,宏观量子隧道效应,库仑堵塞与量子遂穿效应和介电限域效应,因而使纳米材料展现出许多特有的光学、光催化、光电化学、化学反应、力学、热学、导电等性质.研究物质的特性及其相互作用,纳米材料的化学组成及其结构是决定其性能和应用的关键因素,而要探讨纳米材料的结构与性能之间的关系,就必须对其在原子尺度和纳米尺度上进行表征.要表征的重要特征主要包括晶粒尺寸及其分布和形貌、晶界及相界面的本质和形貌、晶体的完整性和晶间缺陷的性质、跨晶粒和跨晶界的成分分布、微晶及晶界中,杂质的剖析等.材料性能的各种测试技术,包括宏观上的性能测试和微观上的成分结构的表征,是材料科学的重要组成部分.材料结构的表征方法相当多,但就其任务来说主要有3个,即成分分析,结构测定和形貌观察.形貌观察主要利用显微镜,包括光学显微镜和电子显微镜.扫描隧道显微镜(Scanning Probe Microscopy,SPM)是20世纪80年代发展起来的一种新型显微表面研究新技术,其核心思想是利用探针尖端与物质表面原子间的不同种类的局域相互作用来测量表面原子结构和电子结构.SPM是一系列基于探针对被测样品进行扫描成像的显微镜的总称,包括一系列工作原理相似的可以使物质成亚纳米量级像的新型显微技术,如扫描隧道显微镜(ST M)[1]、原子力显微镜(AFM)[2]、近场扫描光学显微镜(SNOM)[3]等.由于SPM基本的操作原理可以在纳米尺寸范围内进行测量,分析以及定量的研究物质性质,这些数据反映了局部甚至单个原子或分子的性质,对纳米材料提供了新的结构信息.扫描探针显微镜标志着对物质表面在显微量级上成像和分析的一个新技术领域的诞生,并在工业和科技方面有显著的应用[4].本文以纳米材料为主要研究对象,综述了这几种扫描探针显微表征技术,展示了这几种技术在纳米材料的结构和性能方面的应用.微观粒子具有波粒二象性的一个重要结果就是隧道效应,扫描隧道显微镜就是在此基础上发展起来的.自从1982年Binning G和Rohrer H发明了扫描隧道显微镜以来,扫描隧道显微镜在材料的微观结构表征方面发挥了越来越重要的作用.ST M 的基本原理就是隧道效应,将直径小到原子尺度的探针针尖和样品的表面作为两个电极,对电子而言,针尖和样品间的间隙相当于一个势垒,当针尖和样品非常接近时(小于1 nm),势垒变得很薄,电子云相互重叠,具有能量的电子就有一定的概率穿透势垒到达另一极,在两极之间加一电压,电子就可以通过隧道效应由针尖转移到样品或从样品转移到针尖,形成隧道电流,这样,当探针在样品表面上扫描时,表面上小到原子尺度的特征就显现为隧道电流的变化.ST M正是利用隧道电流对间距的敏感性来工作的,可以分辨表面上分立的原子,揭示出表面上原子的台阶、平台和原子阵列.扫描隧道显微镜其分辨本领为目前各种显微镜中最高的:横向分辨本领为0.1 nm,深度分辨本领为0.01 nm.通过它可以清晰地看到排列在物质表面的单个原子或分子. 一维纳米材料由于其量子尺寸效应在未来的纳米科技领域将扮演重要的角色.在半导体领域中硅是最重要的材料,硅纳米线也是近年来研究的热点.以前的报道中有多种方法制作硅纳米线,这些纳米线尺寸在3 nm到5 nm,但理论计算要得到显著的量子尺寸效应需要硅纳米线的直径效应小于3 nm.在硅晶片领域的一个关键技术就是去除氧化层并形成一个稳定的,低缺陷的硅表面,对于小直径的硅纳米线同样需要高质量的表面.Lee S T[5]报道了直径在1.3 nm到7 nm氧化层已经去除并且用氢处理过的使其在空气中更稳定硅纳米线,分析了原子量级的扫描隧道显微镜图像,为之前的理论计算的结果提供了实验数据.ST M的实验在超高真空环境10-10 T进行,对于每根纳米线电流值和电压值测量超过20个点.ST M可以为表面电子态提供可视化的量子干涉信息,并且可以调制一个封闭系统的电子态[6-7].一些结构尽管在最优化的条件下,在表面生长时依然是自发生长,因此人工控制结构对于设计结构优化结构的电学性质方面体现出优势.Sagisaka Keisuke[8]报道了通过ST M尖端与样品的点接触在硅表面沉积钨原子构造一维量子阱,可以在需要的位置构造设计好的长度.由于在高密度磁存储方面的潜在应用,磁性纳米团簇的3 d过渡金属吸引了越来越多的注意力,Wang Jun-Zhong[9]小组报道了80°C在硅(111)表面以较低的沉积速率沉积锰,得到了高度排列的锰纳米团簇,ST M观察到三维均一的三角团簇和梨状团簇共存,图1(a)显示了锰纳米团簇排列的ST M宏观形貌,可以看到长程有序的规则周期性锰纳米团簇排列,其中亮三角星是由相邻的四个团簇构成,团簇的形貌根据样品极性变化的很明显.在硅(111)台阶上可以看到不规则的岛状锰,这些团簇在图1(b)中等尺寸下可以看的更清楚.同时可以发现在团簇形成后硅(111)基片保持了原样,说明锰和硅之间没有发生化学变化.在图1(c)的高分辨率ST M图像中可以获得更多的结构信息,标出“T”的单个三角团簇保持了硅的三维对称,在三角团簇的边缘有一些弯曲趋势,三角形团簇显示了球形.扫描隧道显微镜(ST M)使得人类首次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态,但由于其只能用来直接观察和研究导体和半导体样品的表面,存在很大的局限性,原子力显微镜(AFM)凭借其纳米量级的精度和不受样品表面导电性限制的优势奠定了它作为一种独立的表面分析仪器的地位,其应用随着纳米科技热的兴起而日益引起人们的关注.原子力显微镜(AFM)与扫描隧道显微镜(ST M)在结构上非常相似:传感器都是很细的探针,定位于距样品表面很近的位置,区别只在于原子力显微镜中多了微悬臂.由于结构上的差别,它们的工作原理迥然不同:扫描隧道显微镜的基本原理是利用量子理论中的隧道效应,隧道电流的变化直接反映出样品表面形貌的起伏,而原子力显微镜的工作原理基于量子力学中的泡利不相容原理,样品表面形貌的变化表现为微悬臂的弯曲变形它们通过其端粗细只有一个原子大小的探针在非常近的距离上探索物体表面的情况,它们之间的作用力会随距离的改变而变化,当原子与原子很接近时,彼此电子云斥力的作用大于原子核与电子云之间的吸引力作用,所以整个合力表现为斥力的作用,反之若两原子分开有一定距离时,其电子云斥力的作用小于彼此原子核与电子云之间的吸引力作用,故整个合力表现为引力的作用.在原子力显微镜的系统中,是利用微小探针与待测物之间的交互作用力,来呈现待测物的表面的物理特性.单晶、压缩粉体和薄膜等磁性材料的电磁性质已研究了很多,虽然磁性纳米材料在纳米电磁效应和人工电磁结构等领域有广阔的前景,但相关的研究却比较少.AFM纳米刻印技术保证了薄膜表面的低污染以及样式的高度灵活性.最近利用量子点纳米结构制作器件吸引了广泛的关注,要能够利用量子器件必须有可以控制位置高质量的纳米结构,一般的方法由于引入了缺陷和污染很难得到高质量的量子点.Kim Jong Su[10]小组报道了利用AF M尖端诱导纳米氧化物和外延生长InAs量子点,这种方法可以减少量子点与纳米孔的缺陷和污染,得到高质量的可控位置的量子点.制作过程的每一步表面形貌由非接触模式的AFM表征.无线器件可以实现生物体的实时成像和探测,但是这些器件需要能量来源,如果自己提供能量而不需要电池将会非常理想.人体内多种潜在的能源如果能够转化为电能,将可以驱动纳米量级的光电子器件和生物探测器等.Wang Zhonglin[11]小组报道了利用AFM探针驱动氧化锌(ZnO)纳米线从而形成纳米发电机,这种发电机主要利用了ZnO的压电和半导体特性在金属和ZnO间构成Schottky电池.如果可以找到一种方法诱导共振纳米线排列,在每一次振动循环输出能量将可能实现自发电的纳米器件.由于其高传导率,银纳米结构在构建纳米电力器件和化学传感器方面有潜在的应用.通常情况下,纳米结构在产生张力时的弹性消失比较难观察到,Marcel Lucas等报道了利用AFM研究五角形纳米线的弹性消失.AFM在纳米精度可以精确的测量力以及随后的残余缺陷,残余的锯齿形的AFM图像揭示了一个表面原子台阶的形成.图2(a)给出了一个2 μm长40 nm高的银纳米线,纳米线的顶端平滑而且没有出现任何缺陷.在纳米测量实验中AFM的尖端放在纳米线的中间,划痕深度小于1.5 nm,长度约为200 nm(图2(b)).测试后纳米线保持伸指并且没有移动,说明纳米线和基片间的摩擦力足够大以至于可以防止测试中的转动和拖动.从计算的压力—深度曲线可以看到最深的深度为40 nm,这相当于纳米线的高度,说明测试后纳米线已经完全断裂.当刻痕小于16 nm时,位移小于0.5 nm,在16 nm处突然出现3 nm的位移.深度大于16 nm时,位移量在0.5 nm-2 nm之间.通过原子模拟得到测试中最大的应力约为2GPa.SNOM高分辨率成象的关键在于引入近场的概念.由Maxwell电磁场理论,物体内部的电荷、电流的振荡会引起电磁场的变化,因而能够从物体表面向自由空间传播.从连续性原理考虑,物体最外表面的空间场分布应当能够反映物体表面的场密度和电流分布.物体表面外的场分布可以划分为两个区域:一个是距物体表面仅一个探测光波长λ以内的区域,即近场区域;另一个是从近场区域外至无穷远处,称为远场区域.近场包括两种成份:一种是传导波(propagating wave),可从近场区域向远处传播,同时存在于远场区域,这是一种辐射场;另一种是衰逝波(evanescent wave),其强度随距物体表面距离的增加按指数规律迅速衰减为零,因而仅存在于近场区域,不能在自由空间传播,这是一种非辐射场—衰逝场.表面等离子波偏振(SPP)波导是纳米光子学和光电子学的一个重要课题,SPP是金属和电介质界面激发的电子振动与光场的混合模式,为了有效的激发SPP建立了一些纳米结构.在可见光波长内贵金属中SPP沿着界面传播的距离在10μm范围内,由于金属—电介质相对于金属—空气的高折射率,使得SPP模式类似于传统的光学纤维.在相同的宽度下,相对于纯金属条可以得到第带边损失的电介质锁定模式的SPP(DLSPP).通常的近场光学显微镜大多采用剪切力控距方式实现近场探测,结构紧凑,操作方便,不会引入传统光学反馈中的背景光学噪声.但为了保证音叉—探针这个不对称体系有足够的品质因数,探针针尖露出音叉顶端的部分不能太长,因此这种方式很难用于探测液体环境下的样品.敲击模式类似AFM的敲击模式探测方式,采用石英音叉作为灵敏器件,光纤针尖的振动方向垂直于样品表面,因而不仅保留了剪切力模式的优点,而且具有较高的力学梯度,对针尖—样品距离的控制更加可靠,分辨率更高,并且它还克服了剪切力控距方式的不足,可用于探测液体环境下的样品.另外在探测样品形貌的同时实现对光信号的调制,可提高采样速率.Biagioni P小组介绍了通过将飞秒激光脉冲耦合进近场光学显微镜中,证实了有机半导体的双光子非线性近场荧光成像.双光子激发的蓝色发射峰选择性的显示了酮缺陷单元,对应于黄绿光发射峰的偏移.由于等离子场在近场光子学,光学开关,表面增强拉曼等过程中起着关键的作用,近年来对等离子场的研究一直是个热点.以前大部分的工作集中在金属纳米粒子,现在已成功研制出纳米空洞,这些结构在从可见光到近红外波段表现出可调谐的等离子波模式.等离子器件的发展依赖于在纳米尺度制作和表征金属结构,近场光学显微镜在等离子激发金属纳米结构领域显示出其独特的优越性,Lacharmoise P D[12]报道了利用共振扫描近场显微镜研究纳米分辨的等离子空洞分布模式,根据激发波长和金空洞的尺寸可以调整等离子空洞形成中心类原子空洞或圆环形式.这些模式通过反射率测量光谱变化,并与边界元素相对应.由于没有限制在空洞排列内,SNOM提供了一个在纳米量级直接光学表征的独特手段.图3显示了半径为300 nm的空洞结构在不同激光激发能量下的SNOM图像.扫描是在激光能量为E=2.41 eV(绿光),1.96 eV(红光),1.58 eV(近红外)下对同一区域的成像.尽管其分辨率不高,SNOM 探头重现了与扫描电镜的图像符合的非常好的图像,图中的白色箭头对应了特别的成像方向.当E=2.41 eV时,在空洞靠近空洞的边缘探测到了环形的近场信号.当在1.96 eV激发时,在坑洞底部展现了完全不同的空洞为中心的亮信号.最后,在1.58 eV激发时没有看到清晰的信号.实验证实了SNOM技术适合于对开放的金属纳米结构中等离子场加强的直接探测,这对于设计单分子光学光谱仪等应用中提供了有用的信息.这些模式通过反射率测量光谱变化,并与边界元素相对应.由于没有限制在空洞排列内,SNOM提供了一个在纳米量级直接光学表征的独特手段.由于SNOM既具有光学显微镜的各种优点,分辨率又不受衍射极限的限制,因此受到了很大的重视并得到广泛的应用.应用于各种纳米光学加工和高密度信息存储,特别是近年来近场光谱技术的进步,使得用对单个纳米粒子,甚至单分子光谱的研究成为可能,在纳米科学研究领域显示出优越性.本文以纳米材料为主要研究对象,综述了国内外最新的几种扫描探针显微(SPM)表征技术,包括扫描隧道显微镜(ST M),原子力显微镜(AFM),和近场扫描光学显微镜(SNOM)等方法,展示了这几种技术在纳米材料的结构和性能方面的应用.目前国内高校和科研院所越来越多地将扫描探针显微镜作为强有力的科研工具用于更多的研究领域,纳米材料表征技术正朝着尖锐化、多样化、功能化和组合方向发展[13].高精度的显微技术将人类的视野带到了崭新的纳米世界,作为加工工具的扫描探针显微镜也必将成为人类改造自然的又一有力武器.【相关文献】[1]Lopinski G P,Moffatt D J,Wayner&R D D M,et al.Determination of the absolute chirality of individual adsorbed molecules using the scanningTunnellingmicroscope[J].Nature,1998,392:909-911.[2]Bingnig G,Quate C F,Gerber C.Atomic Force Microscope[J].Phys 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原子力显微镜在材料科学研究中的应用
原子力显微镜在材料科学研究中的应用摘要此论文简要叙述了原子力显微镜的工作原理及特点，介绍其在材料科学中的应用，指出原子力显微镜在材料的研究过程中有广阔得应用前景。
原子力显微镜为扫描探针显微镜家族的一员，具有纳米级的分辨能力，其操作容易简便，是目前研究纳米科技和材料分析的最重要的工具之一。
原子力显微镜是利用探针和样品间原子作用力的关系来得知样品的表面形貌。
至今，原子力显微镜已发展出许多分析功能，原子力显微技术已经是当今科学研究中不可缺少的重要分析仪器。
关键词：原子力显微镜，材料，扫描探针，表面形貌Application of Atomic Force Microscope in Material ResearchABSTRACTThe priciple and character of atomic force microscope is depicted by this article and we also introduced the application of atomic force microscope.Great superiority and potential of application in field of material is showed.Atomic force microscope is number of the scanning probe microscope family.It is capable of generating3D images of surface topography with nanometer.Also it will be operated easily.Consequently,it is the most useful instrument which can be utilized for nanometer technology and material research at present.atomic force microscope scans the surface by the force of atomic range,which generated by the probe and the specimens.Nowadays the atomic force microscope have owned many analytical functions. And the atomic force microsco pic technology is indispensable in the technological research currently.KEY WORDSWORDS::atomic force microscope,material,scanning probe,surface topography目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1原子力显微镜的基本知识 (1)1.1显微技术概述 (1)1.1.1前言 (1)1.1.2原子力显微镜(AFM)综述 (1)1.2原子力显微镜工作原理 (2)1.2.1原子力显微镜原理概述 (2)1.2.2原子力显微镜的基本操作模式 (3)1.2.3原子力显微镜量测架构 (4)1.3原子力显微镜的功能技术 (5)1.3.1相位式原子力显微镜 (5)1.3.2扫描式磁场力显微镜 (5)1.3.3侧向力显微镜 (6)1.3.4扫描式热梯度探针显微镜 (7)1.3.5扫描式电场力显微镜 (7)1.3.6液相原子力显微镜 (8)1.3.7微影操控术 (8)2原子力显微镜在材料科学研究中的应用 (10)2.1在材料科学方面中的应用 (10)2.1.1三维形貌观测 (10)2.1.2纳米材料与粉体材料的分析 (11)2.1.3成分分析 (12)2.1.4晶体生长方面的应用 (13)2.1.5在薄膜技术中的应用 (14)2.2在其它有关方面中的应用 (17)2.2.1在生物学中的应用 (17)2.2.2在物理学中的应用 (18)2.2.3在化学中的应用 (19)3原子力显微镜在材料科学研究方面的应用实验 (20)3.1实验综述 (20)3.2氧化锡红外反射薄膜制备的基本原理 (20)3.3实验仪器与样品 (21)3.4原子力显微镜对红外反射薄膜的测试 (22)3.4.1系统启动 (22)3.4.2试样的制备要求 (22)3.4.3安装试样台 (22)3.4.4Cantilever的安装 (22)3.4.5调整激光光轴并进行调节测试 (23)3.5原子力显微镜的表面分析 (23)4原子力显微镜与其它显微分析技术 (25)4.1原子力显微镜与其它显微分析技术的比较 (25)4.2原子力显微镜与扫描电子显微镜 (27)参考文献 (29)1原子力显微镜的基本知识1.1显微技术概述1.1.1前言在近代仪器发展史上，显微技术一直随着人类科技进步而不断的快速发展，科学研究及材料发展也随着新的显微技术的发明，而推至前所未有的微小世界。
纳米科技材料的性能测试方法与标准规范解读
纳米科技材料的性能测试方法与标准规范解读随着科技的高速发展，纳米科技已经成为各个领域的热门研究方向，纳米材料的性能测试方法和标准规范对于实现材料的精准设计、可靠应用以及产品的质量控制至关重要。
本文将重点介绍纳米科技材料性能测试方法和标准规范的严格解读。
1. 纳米材料的性能测试方法纳米材料与传统材料相比，具有独特的特性和性能，因此需要采用特殊的测试方法进行性能评估。
以下为常用的纳米材料性能测试方法：1.1 纳米材料的粒径测量纳米材料的粒径对于其性能具有重要影响，因此粒径测量是纳米材料性能测试的首要任务。
常用的方法有透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和动态光散射（DLS）等。
1.2 纳米材料的结构表征纳米材料的结构对其性能起着至关重要的作用，因此需要采用一系列的结构表征方法进行测试。
例如，X射线衍射（XRD）用于分析晶体结构；拉曼光谱（Raman）用于研究材料的分子振动和晶格动力学等。
1.3 纳米材料的机械性能测试材料的机械性能是其可靠运用的关键指标之一，对纳米材料的机械性能测试方法进行了大量研究。
常用的方法包括纳米压痕测试（Nanoindentation）、扫描探针显微镜（SPM）和纳米拉伸实验等。
1.4 纳米材料的热学性能测试纳米材料的热学性能对于其在能源、催化等领域的应用至关重要。
因此，研究者们开发了一系列测试方法，如差示扫描量热法（DSC）、热导率测试仪和纳米量热仪等。
2. 纳米材料性能测试的标准规范解读为了保证纳米科技材料性能测试的准确性和可比性，各个国家和国际组织制定了相应的标准规范，以规定测试方法和要求。
下面将重点介绍几个重要的标准规范：2.1 ISO/TS 80004-1:2015该标准主要针对纳米材料的术语和定义进行了规范，为纳米科技材料的研究和应用提供了统一的术语和定义。
它为纳米材料的性质表征和测试提供了一个共同的基础。
2.2 ISO/TS 12901-2:2014该标准规范了纳米材料亲水性和疏水性的测试方法和评价准则，以及纳米颗粒在液体中的分散性评价指标，对于纳米材料的应用和环境影响研究具有重要意义。
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。
扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜（STM）的原理及其在纳米材料研究中的应用引言透射电子显微镜在观察物质的整体结构方面是很有用的，但在表面结构的分析上却较困难，这是因为透射电子显微镜是由高能电透过样品来获得信息的，反映的是样品物质的内部信息。
扫描电子显微镜（SEM）虽然能揭示一定的表面情况，但由于入射电子总具有一定能量，会穿入样品内部，因此分析的所谓“表面”总在一定深度上，而且分辨率也受到很大限制。
场发射电子显微镜（FEM）和场离子显微镜（FIM）虽然能很好地用于表面研究，但是样品必须特殊制备，只能置于很细的针尖上，并且样品还需能承受高强电场，这样就使它的应用范围受到了限制。
扫描隧道电子显微镜（STM）的工作原理完全不同，它不是通过电子束作用于样品（如透射和扫描电子显微镜）来获得关于样品物质的信息，也不是通过高电场使样品中的电子获得大于脱出功的能量而形成的发射电流成像（如场发射电子显微镜），并以此来研究样品物质，它是通过探测样品表面的隧道电流来成象，从而对样品表面进行研究。
STM技术的最大优势在于可获得原子级的分辨率，通常它的分辨率在平行于表面的方向可达0.1纳米，在垂直于表面的方向可达0.01纳米，此外，STM还可实时地获得材料表面实空间的三维图像；可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是整个表面的平均性质；配合扫描隧道谱STS可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子势阱等。
在STM之后衍生出了原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等一系列新型非接触表面探针技术显微镜，使探针显微镜技术日趋完善，并在纳米科技领域中得到越来越广泛的应用。
关键词：扫描隧道显微镜、量子隧道效应、纳米材料一、扫描隧道显微镜的介绍扫描隧道电子显微镜(scanningtunnelingmicroscope，STM)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，利用电子在原子间的量子隧穿效应，将物质表面原子的排列状态转换为图像信息的。
扫描探针显微镜STM及AFM及其在材料研究中的应用
STM像
分子自组装
Langmuir, 2008, 24(13), 6609-6615; Langmuir, 2008, 24(22), 12883-12891
超分子自组装
Chem. Commun., accepted
MOF生长过程研究
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
力ห้องสมุดไป่ตู้
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, STM)
Cycle nunber
✓ 实现锂枝晶成核初 期的原位观察
✓ 含FEC电极液所形 成的SEI膜可有效 抑制锂枝晶的生长
Small Methods., 2017, 1700298
(a) RT, (b) 70oC, (c) 80oC, (d) 90oC, (e) 100oC, (f) 110oC
实现对SEI膜热稳定性的实时原位研究
Atomic Percentage (%)
C
60
F
Li 45
30
15
0 RT 70 80 90 100 110 Temperature (C)
锂枝晶生长微观机制研究
为原子的直径 为原子之间的距离
当r降低到某程度时能量为＋E，代表空间中两原子相当接近且能 量为正，若假设r增加到某一程度时，其能量就会为－E 同时说 明空间中两个原子之距离相当远的且能量为负值。
显微分析技术在材料研究中的应用与发展趋势
显微分析技术在材料研究中的应用与发展趋势摘要：显微分析技术在材料研究中起着至关重要的作用。
它利用不同的原理和方法对材料进行深入观察和分析，以揭示其组织结构、成分特征和功能性能。
本文概述了光学显微镜、电子显微镜和扫描探针显微镜等常见的显微分析技术。
光学显微镜通过可见光的折射、散射和吸收现象实现样品的显微观察和形貌表征。
电子显微镜则利用高速电子束与样品相互作用，获得更高分辨率和详细的图像信息。
扫描探针显微镜可以利用扫描探针对样品表面进行拓扑和化学成分的显微观察。
这些技术在材料研究中具有不同的优势和局限性，并满足不同研究需求。
光学显微镜适用于表面形态和颗粒分析，电子显微镜适用于高分辨率和深度分析，扫描探针显微镜则提供高精度的化学成分信息。
显微分析技术在材料研究中有着广泛的应用，有助于揭示材料的微观性质和特征。
随着先进显微镜技术的发展和改进，未来的显微分析技术将更加强大和多样化，为材料科学的深入研究提供更广阔的空间。
基于此，本篇文章对显微分析技术在材料研究中的应用与发展趋势进行研究，以供参考。
关键词：显微分析技术；材料应用分析；发展趋势分析引言材料研究是现代科学与工程领域的重要组成部分，对于开发新材料、改进现有材料以及解决实际问题具有重要意义。
而显微分析技术作为材料研究中不可或缺的分析工具，具有深入了解材料微观结构和性能的能力。
它可以对材料进行高分辨率观察和深度分析，并揭示其组织结构、成分特征和功能性能。
随着科学技术的不断进步，显微分析技术也得到了极大的发展。
同时，对于显微分析技术的发展趋势的探讨，也有助于我们认识到改进和创新的机会，提高材料研究的效率和质量。
因此，本文旨在为材料科学领域的学者和研究人员提供有关显微分析技术应用与发展的综合指南和参考，促进材料研究的进一步发展与创新等。
1显微分析技术概述显微分析技术是一种广泛应用于材料研究领域的重要工具。
它根据不同的原理和方法，对材料进行深入观察和分析，以揭示其组织结构、成分以及功能性能。
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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大庆师范学院本科生毕业论文扫描探针显微镜在材料科学中的应用院（系）物理与电气信息工程学院专业物理学研究方向学生姓名学号指导教师姓名指导教师职称年月日摘要本文介绍了扫描探针显微镜的历史，目前国际上各种系列的扫描探针显微镜基本原理、主要特点、研究现状和最新应用情况，重点介绍了扫描探针显微镜在材料科学中的应用。
关键词：扫描探针显微镜；扫描隧道显微镜；原子力显微镜AbstractThis paper introduces the history of scanning probe microscope, the present various series of scanning probe microscope basic principles, main characteristics, research status and the latest application situation, introduced with emphasis the scanning probe microscope and its application in material science.Keywords: Scanning probe microscope; Scanning tunneling microscope; Atomic force microscopy目录第一章SPM镜概述 (1)1.1SPM发展背景 (1)1.2SPM的种类 (1)第二章SPM的原理及特点 (3)2.1STM的原理及应用 (3)2.1.1 STM基本原理 (3)2.1.2 STM在材料科学中的应用 (4)2.1.2.1扫描 (4)2.1.2.2探伤及修补 (5)2.1.2.3引发化学反应 (5)2.1.2.4移动和刻写样品 (5)2.2AFM的原理及应用 (6)2.2.1 AFM基本原理 (6)2.2.2 AFM在材料科学中的应用 (7)2.2.2.1表面形貌的观测 (7)2.2.2.2粉体材料的分析 (8)2.2.2.3纳米材料的分析 (8)2.2.2.4成分分析 (8)2.3SPM的特点 (9)2.3.1 SPM优点及应用 (9)2.3.2 SPM存在的问题 (10)2.3.3 SPM的应用前景 (10)第三章结语 (11)参考文献 (12)第一章SPM镜概述1.1 SPM发展背景20世纪80年代初，世界上第一台物体表面分析的仪器——扫描隧道显微镜诞生了，它的英文缩写为“ST M”。
它是由美国国际商用机器公司（IBM）的罗雷尔（Rohrer）和宾尼（Binning）研制出来的，由于宾尼和罗雷尔的杰出表现，1986年联合国把诺贝尔物理学奖颁发给了宾尼和罗雷尔以表彰他们的杰出贡献。
从前观察物体的表面是很困难的，但是自从扫描隧道显微镜问世以后，人类在研究与物质表面的电子行为有关的化学、物理及单个原子在物质表面的结构状态排列提供了可能，扫描隧道显微镜的出现被科技界公认为80年代最伟大的科学成就之一。
在这以后，扫描隧道显微镜及其相关的一些仪器逐渐成为人们研究的对象，并且诞生了各种各样在外形和工作原理上及性能上与及扫描隧道显微镜差不多的显微仪器，这些仪器的诞生弥补了扫描隧道显微镜的不足，可以获得各种信息。
扫描隧道显微镜及其衍生出的各种显微镜统一称为扫描探针显微镜（SPM）。
SPM共同的特点是：显微镜的探针要在物体的表面进行扫描，通过扫描来获取物体表面的一些数据。
SPM不同点是：显微镜的探针与物体表面的相互作用存在差异使得其性质也不一样。
扫描探针显微镜的发明，为人类研究与认识了原子和分子世界提供了有力的工具，在工业、农业及科学技术的个个行业产生了深刻的影响，特别是在化学、物理学、生物学及材料科学、微电子学等领域定将产生有着重大意义和美好的前景。
1.2 SPM的种类SPM的庞大家族到目前为止大约有近30个成员。
由于其技术还在不断的发展成熟之中，所以其成员定会不断的增加。
按照其工作原理可以分为：与力有关的显微镜-扫描力显微镜、与隧道效应有关的显微镜-扫描隧道显微镜、与热有关的显微镜-扫描热显微镜和与离子有关的显微镜-扫描离子电导显微镜等。
其中量子隧道效应是各种和扫描隧道显微镜相似的显微镜工作的基本原理之一。
由于STM是SPM庞大家族成员中的第一位成员，可以称为老大哥，所以STM是和隧道效应有关的各种显微镜的代表。
其中STM的成员还可以分为扫描噪声显微镜（SNM）、扫描隧道电位仪显微镜（STP）、弹道电子发射显微镜（BEEM）和光子扫描隧道显微镜（PSTM）等等。
而STM中的扫描力显微镜（SFM）成像是通过检测探针与样品之间的相互作用力而形成信号形成的。
1986年宾尼发明了原子力显微镜（AFM），它的应用十分广泛，与其同样火的还有：磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜（EFM）、摩擦力显微镜（LFM）、化学力显微镜（CFM）等。
他们的与应用与原子力显微镜（AFM）的应用并驾齐驱，共同为人类社会造福。
第二章 SPM 的原理及特点图2-1所示为SPM 原理简图。
其中测试样表面位于图中的下部，上下凹凸不平的部分就是被测试样表面，颜色比较深，很容易可以看出来。
显微镜的探针一般在水平和垂直的方向上运动进行扫描，我们知道，物质是由原子构成的，所以被测试样表面在显微镜的观察下是像图中那样凹凸不平的，当我们在进行扫描时，由于被测的试样面凹凸不平，在垂直样品表面的方向上会有变化，这个变化的差值为Z ∆。
而Z ∆的变化在显微镜中又导致了探针与被测试样表面的电流、力、热、电容及光的变化，之所以说SPM 是一个大家族，就是在检测这些变化量的时候根据他们的不同而产生的。
SPM 的探针在扫描时，在垂直被测试样表面的方向上进行扫描可达到m μ4的变化量，而在沿着试样表面的水平方向上进行扫描可达m μ100的变化量。
SPM 的探针制作材料多种多样，但我们最常见的还数是材料Ni 和材料Si 。
图2-1 SPM 原理简图2.1 STM 的原理及应用2.1.1 STM 基本原理图2-2所示为STM 原理简图。
在这个图中的下面两层圆圈中黑色圆圈表示原子，位于黑色圆圈中间的深色的部分代表原子核，原子核的周围颜色比较浅的那部分分黑色圆点代表电子云。
图中上面6个原子是显微镜探针的针尖，下面两层原子是被测物体的试样面。
量子隧道效应是各种和扫描隧道显微镜相似的显微镜工作的基本原理。
我们知道，原则上在进行扫描时，探针与试样表面之间要存在一定的距离，当这个距离在0.4nm 这个范围内时，我们要在试样表面与探针针尖之间施加一个电压，由于这个电压的影响，会在他们之间产生隧道效应，正是这个隧道效应使探针针尖与试样表面之间有电子流动，电子的流动则在它们之间产生了隧道电流。
隧道电流就是这样产生的。
在STM中我们还要施加一个偏置电压，当其电压在不变的时候，随着试样面与探针间的距离的不断减小，隧道电流能增大1-2个数量级，在试样面与探针间的距离不断变化的过程中，会在试样面与探针间形成相互作用，试样面与探针间的距离减小时，相互作用增强。
由于隧道电流与试样面和探针间的距离存在指数上的关系，所以，电子的不规则排列导致了隧道电流的变化异常剧烈。
图2-2 STM原理简图设试样面和针尖间为X，那么它和隧道电流之间有什么样的关系呢？,Jr.Cowan 和A.John通过量子力学的知识推导给了我们答案，它的公式为：ψAx+=(B)exp(ikx)exp(-ikx)目前STM在垂直试样表面的方向上的纵向分辨率可达0.01nm数量级，在沿着试样表面方向的横向分辨率可达到0.1nm数量级，而此时隧道电流为1nA数量级。
到目前为止STM的应用并非没有受到限制，主要是来自隧道效应的影响，因此我们只能用半导体和导体制做而成的试样面来进行观察。
2.1.2 STM在材料科学中的应用2.1.2.1扫描在STM工作的时候，在显微镜的扫描探针与被测的物体的表面产生一定高度的空间限制的电子束，因此在STM扫描完在显示屏上成像时，由于STM的空间分辩率特别高，我们会看到清晰的像，可以进行精确的科学观测与测量。
2.1.2.2探伤及修补STM对物体表面不仅可以进行加工处理，而且在此过程中还可实时对物体的表面形貌进行成像分析，因此，到目前为止，我们常用STM技术来发现物体表面各种结构上的缺陷和损伤，对于缺陷和损伤我们也常用表面刻蚀和淀积的方法用以切断或建立与被测样品之间的连线，用此方法来消除物体表面的缺陷，达到修补物体的目的，不仅如此，目前还可用STM的成像技术来检查物体表面修补结果的好与坏也是可行的。
2.1.2.3引发化学反应当STM处在场发射模式时，且被测样品与扫描探针针尖接触比较近时，如果我们用10V左右的电压就可以在扫描探针针尖与被测试样表面之间产生很高的电场，电子将在电压的作用下穿过针尖势垒射向扫描探针针尖与被测试样表面之间的空间。
电子在空间的运动距离很小是由于电子的能量和束流作用，因此导致电子还没有发散，束径就很小了，我们一直以为束径的范围很大，其实不然，它的范围在毫微米之间，正因如此试样表面的物质的分子化学键断裂也可能在毫微米尺度上。
2.1.2.4移动和刻写样品STM的工作电流我们可以控制，如果在恒定电流状态下时，此时我们突然在被测试样表面与扫描探针针尖之间的偏置电压上加一脉冲或者是缩短被测试样表面与扫描探针针尖之间的距离，则会在探针针尖下面的被测试样表面的微区中出现毫微米级别的变化，例如产生突起的丘或者凹下的坑等结构。
一般情况下探针针尖在刻写操作完成以后，探针针尖如果并没有损坏，仍可以用，则我们可以用此探针针尖对物体表面的原子所成的像来进行检验，通过此种方法可以检测出被测试样表面的好坏程度。
有两种方法我们可以移动针尖对被测试样表面进行刻写：一种为当反馈电路处于正常工作的状态时，我们为了达到控制扫描探针针尖移动的目的，可以通过调节偏置电压的大小或者调节参考电流的大小来调节被测试样表面与扫描探针针尖间的电阻。
若当我们减小被测试样表面与扫描探针针尖间的偏压或者增大被测试样表面与扫描探针针尖之间的参考电流时，反馈电路将使扫描探针针尖移向被测试样表面而使他们之间的电阻变小。
另外一种为当STM处于隧道状态时，我们也有两种方法来对样品进行刻写，第一种方式是把反馈线路的输出信号固定并且去关闭反馈则可达到目的，第二种方法使改变压电陶瓷上所加的电压大小，通过这种方法就改变了被测试样表面与扫描探针针尖之间的距离，对第一种方法与第二种方法进行比较我们可以发现，第二种方法能够较第一种方法更优秀，因为它能线性地控制隧道结宽度的变化，对与所有方法来说这种方法还算是较为理想的办法。
与此同时我们对样品进行刻写的结果还与扫描探针针尖的清洁程度有着密不可分的联系。