扫描探针显微镜(scanning
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
《扫描探针显微镜》讲义
《扫描探针显微镜》讲义 2007/11/13 丁喜冬 目次 一扫描探针显微镜（SPM）概述 二扫描力显微镜(SFM)概述 三SFM中的力及其检测技术 四几种常见的SPM 五商品化的SPM仪器的例子 六SPM的应用举例 参考文献： (1)白春礼、田芳、罗克著，扫描力显微术，科学出版社，2000 (2)白春礼编著，扫描隧道显微术及其应用，上海科学技术出版社，1992.10 (3)G..Binning,C.F.Quate,Ch.Gerber. Phys.Rev.Lett 56,930(1986) (4)J. K. H. Ho¨rber1 and M. J. Miles，Scanning Probe Evolution in Biology，Volume302, Science, 7.Nov 2003 (5)Werner A.Hofer, Adam S.Foster, Alexander L.Shluger, Theories of scanning probe microscopes at the atomic scale, Reviews of Modern Physics, V olume75, October 2003.
一扫描探针显微镜（SPM）概述 1、发展背景 1982年，国际商用机器公司（IBM）苏黎世实验室的宾尼（Binning）和罗雷尔（Rohrer）及其同事们研制成功了世界上第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜（Scanning Tunning Microscope, STM）。宾尼和罗雷尔因此而获得1986年的诺贝尔物理学奖。它的出现，使人类第一次能够实时的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，被国际科技界公认为80年代十大科技成就之一。随后，STM仪器本身及其相关仪器获得了蓬勃发展，诞生了一系列在工作模式、组成模式及主要性能与STM相似的显微仪器，用来获取STM无法获取的各种信息。这些仪器目前统称为扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope, SPM）。这些仪器的共同特点是：采用尖锐的探针在样品表面扫描的方法来获取样品表面的一些性质。不同的扫描探针显微镜主要是针尖特性及相应针尖-样品相互作用的不同。这些仪器的发明，使人们跨入了原子和分子世界，成为人们认识微观世界的有力工具，在科技和工业方面已经、并且必将继续产生深刻的影响，在材料科学、微电子学、物理、化学、生物学等领域有着重大的意义和广阔的应用前景。 2、SPM的种类 扫描探针显微镜（SPM）家族中目前有近20个成员。由于其技术还在不断发展之中，所以其成员将继续增加。按照工作原理，大致可以分为：与隧道效应有关的显微镜、扫描力显微镜、扫描离子电导显微镜、扫描热显微镜等几类。与隧道效应有关的显微镜是基于量子隧道效应工作的。STM是SPM家族的第一个成员，也是与隧道效应有关的显微镜的典型代表。其成员还包括扫描噪声显微镜（SNM）、扫描隧道电位仪（STP）、弹道电子发射显微镜（BEEM）、光子扫描隧道显微镜（PSTM）等。扫描力显微镜（Scanning Force Microscope,SFM）通过检测探针与样品之间的相互作用力而成像，除了宾尼等人于1986年发明的原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）外，应用较广的还有：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。 3、SPM的工作原理 扫描探针显微镜采用尖锐的探针在样品表面扫描的方法来获取样品表面的电、磁、声、光、热等物理的或化学的性质。不同的扫描探针显微镜主要是针尖特性及相应针尖-样品相互作用的不同，即各种扫描探针显微镜除了探针部分外，工作原理是基本一样的。 4、SPM的应用前景 SPM具有的原子和分子尺度上的探测材料性质的能力，因此，SPM无论在基础项目研究还是在技术领域的应用都具有独一无二的优势。目前，SPM已广泛应用于材料科学、物理、化学、生命科学等科研领域，取得了许多重要的研究成果，并推动着这些学科向前发展，出现了一系列新的交叉学科。另外，扫描探针显微镜的应用已不仅仅局限于基础研究方面，它已迅速向工业应用领域扩展。 图1-1 SPM的分类 图1-2 SPM的工作原理
原子力显微镜的原理及使用
原子力显微镜的原理及使用 通过近代物理实验课的学习，了解了许多仪器的工作原理以及使用方法，对今后的科研学习有很大的 帮助。其中原子力显微镜就是其中之一，对于做材料方面的专业来说，原子力显微镜在表征物质的表面结 构及性质起着重要的作用。前段时间我们利用AFM对用RF磁控溅射制备的PZT薄膜进行了表征，通过对AFM的使用并查找相关文献，使我对原子力显微镜有了更加深刻的认识。 原子力显微镜，英文：Atomic Force Microscope ，简写： AFM。是一种利用原子,分子间的相互作用力来观察物体表面微观 形貌的新型实验技术.它有一根纳米级的探针,被固定在可灵敏操 控的微米级弹性悬臂上.当探针很靠近样品时,其顶端的原子与样 品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲,偏离原来的位置.根据扫描 样品时探针的偏离量或振动频率重建三维图像.就能间接获得样品 表面的形貌或原子成分。 它主要由带针尖的微悬臂、微悬臂运动检测装置、监控其运 动的反馈回路、使样品进行扫描的压电陶瓷扫描器件、计算机控 制的图像采集、显示及处理系统组成。微悬臂运动可用如隧道电 流检测等电学方法或光束偏转法、干涉法等光学方法检测，当针 尖与样品充分接近相互之间存在短程相互斥力时，检测该斥力可获得表面原子级分辨图像，一般情况下分 辨率也在纳米级水平。AFM测量对样品无特殊要求，可测量固体表面、吸附体系等。 一、仪器结构： 在原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置 检测部分、反馈系统。 1、力检测部分 在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是 使用微小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变化量。微悬臂通常由一个一般100~500μm长和大约500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品－针尖间的相互作用力。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品 的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。 2、位置检测部分 在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂cantilever摆动，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，这就造成偏移量 的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供SPM控制器作 信号处理。 3、反馈系统 在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作 反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针 尖保持一定的作用力。 AFM系统使用压电陶瓷管制作的扫描器精确控制微小的扫描移动。压电陶瓷是一种性能奇特的材料， 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。而伸长或缩短的尺寸与 所加的电压的大小成线性关系。也就是说，可以通过改变电压来控制压电陶瓷的微小伸缩。通常把三个分 别代表X，Y，Z方向的压电陶瓷块组成三角架的形状，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；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。 原子力显微镜（AFM）便是结合以上三个部分来将样品的表面特性呈现出来的：在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微小悬臂（cantilever）来感测针尖与样品之间的相互作用，这作用力会使微悬臂摆动， 再利用激光将光照射在悬臂的末端，当摆动形成时，会使反射光的位置改变而造成偏移量，此时激光检测 器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性 以影像的方式给呈现出来。 二、工作原理： 将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于 针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬 臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法
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 form observation in minute domain by detecting the physics properties between 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)SNOM Probe Sample surface physical interaction
10 mm 10μm 10 nm 10 nm 10 mm X,Y resolution/m 10μm Z r e s o l u t i o n /m SEM Optical Microscope 10 pm SPM TEM 扫描探针显微镜与其他显微镜在分辨能力上的比较 0.2nm 800μm 15μm Reference ：NIKKEI MICRDEVICES 86.11
High Resolution in 3D image Atomic Image （HOPG）STM（～2nm□） Magnet-Optical Disk MFM（10μm□） Lung cancer cell among culture solution DFM（100μm□） AFM Lithography by oxidization with elec. field Vector Scan（1μｍ□） ~ In Air ，High Vacuum ，Liquid ，Heat ，Cool ，Magnetic Field 扫描探针显微镜的优势 Observation?Analysis ?Processing Topography & Physical property Measurement in various environment Before After
扫描探针显微镜(scanning
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。
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扫描探针显微镜（SPM） [显微镜的发展历史及种类] 按照显微镜的发展历史（图1），第一代显微镜是光学显微镜，其分辨率受波长限制，极限分辨率为200纳米。第二代显微镜是电子显微镜，包括透射电镜（TEM）和扫描电镜（SEM）, TEM的点分辨率为0.2~0.5nm，晶格分辨率为0.1~0.2nm，而SEM的分辨率为6~10nm，但二者都要求高真空的工作环境，使用成本高。第三代显微镜就是扫描探针显微镜（SPM），包括扫描隧道显微镜（STM）和在STM基础上发展起来的原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等等。扫描探针显微镜都是靠一根原子线度的极细针尖在被研究物质的表面上方扫描，检测采集针尖和样品间的不同物理量，以此得到样品表面的形貌图像和一些有关的电化学特性。如：扫描隧道显微镜检测的是隧道电流，原子力显微镜镜测试的是原子间相互作用力等等。 图1 光学显微镜和电子显微镜都称之为远场显微镜，因为相对来说样品离成像系统有比较远的距离。成像的图像好坏基本取决于仪器的质
量。而扫描探针显微镜的工作原理是基于微观或介观范围的各种物理特性，探针和样品之间只有2-3埃的距离，会产生相互的作用，是一种相互影响的耦合体系。我们称它为近场显微镜。它的成像质量不单单取决于显微镜本身，很大程度上受样品本身和针尖状态的影响。 [SPM的原理] 扫描隧道显微镜（STM）是将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近(通常小于1nm) 时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。由于隧道电流(纳安级)随距离而剧烈变化，让针尖在同一高度扫描材料表面，表面那些“凸凹不平”的原子所造成的电流变化，通过计算机处理，便能在显示屏上看到材料表面三维的原子结构图。STM具有空前的高分辨率(横向可达0.1nm，纵向可达0.01nm),它能直接观察到物质表面的原子结构图，从而把人们带到了纳观世界。 扫描隧道显微镜工作时要检测针尖和样品之间隧道电流的变化，因此它只能直接观察导体和半导体的表面结构。而在研究非导电材料时必须在其表面覆盖一层导电膜，导电膜的存在往往掩盖了样品的表面结构的细节。为了弥补扫描隧道显微镜不能在绝缘表面工作的不足，1986年Binnig、Quate和Gerber发明了第一台原子力显微镜（AFM）。 原子力显微镜是将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品的表面轻轻接触，由于针尖尖端原子
扫描探针显微镜的应用
扫描探针显微镜的应用 根据扫描探针显微镜的种类及特性,可以了解到它的应用范围十分广泛。可以研究材料表而的硬度、摩擦力、粘滞力、弹性等力学性能;研究原子与分子形貌,材料表面的形貌、粗糙度以及各种缺陷;可以测量材料的电、磁特性以及热传导性特性;可应用在生命科学方面,还可以进行纳米测量、纳米刻蚀与加工。1：在有机薄膜材料方面的应用 扫描随道显微镜与原子力显微镜都可以对样品的形貌进行表征,可以观察到有机薄膜分子的排列情况,但是扫描隧道显微镜需要样品制备在导电越底匕而有机薄膜自身并不导电,当薄膜比较厚时,会阻碍系统对隧道电流的探测。对于原子力显微镜则不存在这一限制,有机薄膜可以制备在比较平的云母或硅片上,而且同样可以获得较高分辨率的图像,图1中所示的是在银基底上制备的苝四甲酸二酐单分子膜的原子力形貌图,扫描时工作在非接触区域,采用的是调频模式,图像分辨率达到了分子级别。从分子尺寸的AFM形貌图上我们可以很清楚的观测到分子间距,依此判断出有机薄膜的致密性。在大范围(微米量级)从整体上观察薄膜均匀性时,原子力显微镜也比较方便。 图1 苝四甲酸二酐单分子膜的原子力形貌图,扫描范围30nmX30nm 由于有机薄膜的质地比较软,因此在用接触模式扫描时,会因侧向力过大对薄膜造成划伤,因此常常采用轻敲模式进行扫描。但是我们常常需要通过接触模式
下的力曲线测试,对有机薄膜自身的一些力学特性先有一定的了解,比如弹性、粘滞力等,因为这些有机薄膜自身固有的特性也会影响到扫描成像,之后在通过扫描过程中合理化相应的参数,获得高质量的图像。 2：DPN 纳米加工技术 Mirkin小组发明了一种成为“dip-pen”的纳米加工技术(图2),AFM针尖被当作“笔”,硫醇分子被当作“墨水”,而基底被当作“纸”,吸附在针尖上的硫醇分子借助于针尖和基底之间的水层被转移到基底上的特定区域。然而,这种DPN存在一个明显的缺点就是只能把有机分子“写”在基底上,而且保持所生成结构的长期稳定性是一个重要问题。 图 2 DPN 操作示意图(A)和 DPN 所形成的 ODT 阵列的侧向力图(B)
扫描探针显微镜在材料科学中的应用
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
Abstract This 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)
扫描探针显微镜
扫描探针显微镜Scanning Probe Microscopy, SPM 孔毅 2010年5月6日
扫描探针显微镜 ?SPM：探测表面性质仪器的一个大家族 ?扫描隧道显微镜（STM） ?原子力显微镜（AFM） ?揭示表面形貌，也可以测量许多表面的其它性质
扫描隧道显微镜(STM) Scanning Tunneling Microscope 1983年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜（STM）
1986年诺贝尔物理学奖 ?The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the 1986 Nobel Prize in Physics by one half to Professor.Ernst Ruska, Fritz-Haber-Institut der Max- Planck-Gesellschaft, Berlin, Federal Republic of Germany,for his fundamental work in electron optics, and for the design of the first electron microscope and the other half, jointly to Dr Gerd Binnig(39岁) and Dr Heinrich Rohrer (53岁), IBM Research Laboratory, Zurich, Switzerland,for their design of the scanning tunnelling microscope
扫描探针显微镜在纳米科技发展中的应用
扫描探针显微镜在纳米科技发展中的应用 纳米科技无疑是时下科研和产业的热点。当物质尺度小到一定程度时，需要用量子力学取代经典力学的观点来描述它的行为。因此，我们的纳米材料往往能表现出完全不同于宏观世界的特性。在科技已经发展到一定程度的今天，纳米世界可以说是我们打开的另一扇大门，里面有无尽的瑰宝等着我们去发现和应用。伴随着纳米研究的深入，新的学科方向也应运而生，像纳米电子学、纳米生物学、纳米材料学等等。可以说我们的世界正走向纳米时代。 标签：扫描探针显微镜；纳米科技；发展 纳米科技的发展离不开各种显微技术的出现，这其中最常见的莫过于大家所熟悉的光学显微镜。在此基础上，为了提高分辨率，人们又设计用电子束代替光子，出现了各种电子显微镜。扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，简称SPM）是一类特殊的显微镜，它涵盖了扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelling Microscope，简称STM），原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM），以及在此基础上延伸出的一系列显微模式。顾名思义，这类显微镜是基于纳米探针与样品的作用来成像的。如果将我们熟知的光学显微方法比作是用眼睛看世界的话，那么SPM就是“盲人摸象”。探针就像是显微镜的“手”，触摸着纳米材料的表面，并将它“摸到”的世界告诉大家。 SPM是目前世界上分辨率最高的显微镜，可以在实空间看到单个原子，这是其它显微方法所无法比拟的。同时，SPM直接给出的是三维的立体结果，比起大部分显微镜的二维成像来说，多了一个维度的信息。此外，SPM还具有成像环境多样，应用灵活等优点。这些特质使得SPM表征技术几乎渗透到了纳米科技的各个领域。与此同时，SPM自80年代发明以来，本身也在不断进步。目前已经发展出了几十种探测模式。这类独特的显微技术正伴随了纳米科技的发展，而展现出强大的生命力。 扫描探针显微镜（Bruker Gmbh，Fastscan） 扫描探针显微镜发展历史 SPM的诞生于1981年，第一成员是扫描隧道显微镜（STM）。1981年，IBM 实验室的Binning 和Rohrer采用对探针和样品间的遂道电流的反馈控制，实现对样品表面轮廓的探测。STM所达到的效果是惊人的，Binning 和Rohrer直接看到了硅表面的单个原子。STM作为扫描探针显微镜家族的第一个成员，为以后SPM的迅猛发展奠定了基础。而实现实空间原子成像也使STM成为目前分辨率最高的显微镜。Binning 和Rohrer也因此获得了1986年诺贝尔物理学奖。 STM虽然惊艳，但美中不足的是只能对导电样品成像，无法用于绝缘样品。1986年，IBM公司Binning和Stanford大学的Quate研发出了原子力显微镜（AFM），弥补了STM的不足。AFM的出现给SPM这个家族带来了极大的发
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。 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。
SPM-9600控制气氛型扫描探针显微镜WET-SPM系列
SPM-9600 控制气氛型扫描探针显微镜 WET-SPM系列 控制气氛中的SPM观察 在扫描型探针显微镜 SPM-9600系列基础上,通过选购控制气氛腔，就可以升级为可控气氛扫描型探针显微镜WET-SPM系列。这是SPM-9600系列独有的特长，该系列最大限度的采用了岛津独立自主开发的样品交换机构,前面操作、全自动驱近、开放式头部设计等，进而实现了腔体内使用。腔体采用手套箱结构，可在控制气氛下制备样品（切割、清洗、干燥等）和更换样品。通过与选购件组合使用，不仅可在特定气体气氛中进行SPM观察，而且，可在加热?冷却样品、控制气氛湿度?温度、向样品吹气的同时进行SPM观察。WET-SPM 是把表面的动态世界以纳米尺度展现给用户的划时代系统. 控制气氛腔 CH-II/CH-III 控制气氛腔 CH-II(无分子泵TMP)/CH-III(有分子泵TMP)是专为SPM-9600系列 设计的、与减震台一体化并且有手套箱的腔体系统。SPM单元可方便地从腔体背 面放入腔体中，从而由大气型SPM升级到控制气氛SPM，应用范围扩大 (日本国 专利第2612395号、美国专利No.5200616)。这样不仅可控制样品，还可控制周 围整个环境，因此，可在控制气氛下进行样品处理，并直接进行SPM观察。通过 大型观察窗和两个手套口，可在腔体内部自由地进行前处理。并且，通过追加对 应控制气氛腔的选配件，可作为原位(in-situ)SPM，实时跟踪在改变温度、湿度、 圧力、光亮、浓度等物理量时样品表面的变化。可很方便地从腔内取出或放入SPM单元，因此，可用作大气型和控制气氛型两用的SPM. 腔体构造图
扫描探针显微镜
扫描探针显微镜 【摘要】 纳米测量是纳米科学的重要分支和基础学科。以扫描探针显微镜（STM）为代表的非光学纳米测量方法能够实现纳米甚至亚纳米的测量分辨率，是非常重要且实用的纳米级精密测量仪器，本篇文章对其进行详细介绍。 【关键字】扫描探针显微镜精密测量纳米尺度 【引言】 纳米科学是在纳米（10-9m）和原子（10-10m）的尺度上（1nm～100nm）研究物质的特性、物质相互作用及如何利用这些特性的多学科交叉的前沿科学与技术。随着科学的发展，它涉及到越来越广泛的内容，其中纳米测量技术是纳米科学的一个重要分支。例如：半导体工业中的高精度模版的制造和定位，高精度传感器的标定；在科学研究中的量子物理学、化学、分子生物学等都需要很高的测量精度。因此无论是对国民经济各部门还是军事应用领域等，纳米测量都有着巨大意义。 目前，能够进行纳米测量的方法主要有：非光系方法和光学方法两大类。前者包括：SPM 法，电容、电感测微法；后者则包括：X光干涉仪法、各种形式的激光干涉仪法和光学光栅等方法。以扫描探针显微镜（STM）为代表的非光学纳米测量方法能够实现纳米甚至亚纳米的测量分辨率，是非常重要且实用的纳米级精密测量仪器，本篇文章将对其进行详细介绍。【正文】 1.扫描探针显微镜简介 扫描探针显微镜是继光学显微镜和电子显微镜发展起来后的第三代显微镜。80年代初期，IBM公司苏黎世实验室的G.Binning 和H.Rohrer发明了扫描隧道显微镜，它的分辨率达到0.01纳米。STM的诞生，使人类第一次在实空间观测到了原子，并能够在超高真空超低温的状态下操纵原子。在STM的基础上，又发明了原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等等，这些显微镜都统称扫描探针显微镜。因为它们都是靠一根原子线度的极细针尖在被研究物质的表面上方扫描，检测采集针尖和样品间的不同物理量，以此得到样品表面的形貌图像和一些有关的电化学特性。如：扫描隧道显微镜检测的是隧道电流，原子力显微镜镜测试的是原子间相互作用力等等。
扫描探针显微镜基本操作
扫描探针显微镜基本操作练习一、实验目的 （1）了解扫描探针显微镜的组成及测试的基本原理；（2）了解仪器设备的具体的技术指标参数； （3）学会仪器设备的具体操作步骤； （4）学会设置软件中的各个参数，并知道各个参数对采集样品的影响； （5）学会分析AFM图像。 二、实验设备 CSPM-3000 扫描探针显微镜系统 1、底座， 2、检测头， 3、观察窗， 4、样品检测位置X（左右）方向调 节螺杆，5、样品检测位置Y（前后）方向调节螺杆，6、激光光斑X（左右）方向调节螺杆，7、激光光斑Y （前后）方向调节螺杆，8、光斑位置检测器(PSD)垂直调节螺杆，9、光斑位置检测器(PSD)水平调节螺杆，10、探针支架把手， 11、扫描器Vz 电压（控制样品上下伸缩）监视表，12、检测头-底座连接线，13、探头-主控机箱连接电缆D型插座。 Laser-AFM探头(左：正面，右：背面) 三、实验注意事项 实验注意事项： （1）在激光开启后不可用眼睛直视光束！ （2）开关顺序 ①在控制计算机系统启动并进入SPM在线控制软件后，方可打开电子控制机 箱的电源； ②在关闭电子控制机箱的电源后，方可退出SPM在线控制软件。 ③任何连线及配件的插拔和更换都必须先关闭电子控制机箱的电源后方行！（3）系统工作时禁止搬动探头 四、实验步骤
样品固定 （1）将样品用双面胶粘在样品台上； （2）打开计算机，运行并进入SPM Console实时控制软件，打开主控机箱的电源开关； 主控电源 （3）打开样品逼近窗口，选“样品退回”页面，按“退回样品”按钮，使扫描器下降，直至样品检测面略低于底座的上面板； （4）用镊子夹住已粘好样品的样品台，小心放到磁吸样品台，样品台会被扫描器顶部的强磁体吸住，小心挪动样品台，使样品被测区居中央位置； ?调节光路： （1）选择控制模式为“接触”，单击“激光”键，打开激光器电源；打开激光光斑窗口； （2）调整激光光斑X方向调节螺杆和Y方向调节螺杆，使激光束聚焦照射在在V形悬臂背面前端。 （3）打开“激光光斑”窗口（如右图），调节“激光接收器”X，Y方向的螺杆，
(AFM)原子力显微镜原理介绍
原子力显微镜(AFM)原理 一、原理 原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由IBM公司的Binnig和史丹佛大学的Quate于一九八五年所发明的，其目的是为了使非导体也可以采用扫描探针显微镜（SPM）进行观测。 图1、原子和原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离 的不同而有所不同，其之间的能量表示也会不同。 原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）最大的差别在于并非利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范德华力（Van Der Waals Force）作用来呈现样品的表面特性。假设两个原子中，一个是在悬臂（cantilever）的探针尖端，另一个是在样本的表面，它们之间的作用力会随距离的改变而变化，其作用力和距离的关系如“图1”所示，当原子和原子很接近时，彼此电子云斥力的作用大于原子核和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
用小于彼此原子核和电子云之间的吸引力作用，故整个合力表现为引力的作用。若以能量的角度来看，这种原子和原子之间的距离和彼此之间能量的大小也可从Lennard –Jones的公式中到另一种印证。 为原子的直径为原子之间的距离 从公式中知道，当r降低到某一程度时其能量为+E，也代表了在空间中两个原子是相当接近且能量为正值，若假设r增加到某一程度时，其能量就会为-E同时也说明了空间中两个原子之间距离相当远的且能量为负值。不管从空间上去看两个原子之间的距离和其所导致的吸引力和斥力或是从当中能量的关系来看，原子力显微镜就是利用原子之间那奇妙的关系来把原子样子给呈现出来，让微观的世界不再神秘。 在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针和待测物之间交互作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。所以在原子力显微镜中也利用斥力和吸引力的方式发展出两种操作模式： （1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜（contact AFM），探针和试片的距离约数个?。 （2）利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为非接触式原子力显微镜（non-contact AFM），探针和试片的距离约数十到数百?。 二、原子力显微镜的硬件架构： 在原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。
扫描探针显微镜实验报告
扫描探针显微镜 【目的要求】 1.学习和了解扫描探针显微镜的结构和原理； 2.掌握扫描探针显微镜的模式之一---扫描隧道显微镜的操作和调试过程，并以之来观察样品的表面形貌； 3.学习用计算机软件来处理原始数据图像。 【仪器用具】 扫描探针显微镜、针尖、计算机、光栅样品 【原理】 1.扫描探针显微镜简介 扫描探针显微镜是继光学显微镜和电子显微镜发展起来后的第三代显微镜。80年代初期，IBM公司苏黎世实验室的G.Binning 和H.Rohrer发明了扫描隧道显微镜，它的分辨率达到0.01纳米。STM的诞生，使人类第一次在实空间观测到了原子，并能够在超高真空超低温的状态下操纵原子。在STM的基础上，又发明了原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等等，这些显微镜都统称扫描探针显微镜。因为它们都是靠一根原子线度的极细针尖在被研究物质的表面上方扫描，检测采集针尖和样品间的不同物理量，以此得到样品表面的形貌图像和一些有关的电化学特性。如：扫描隧道显微镜检测的是隧道电流，原子力显微镜镜测试的是原子间相互作用力等等。 光学显微镜和电子显微镜都称之为远场显微镜，因为相对来说样品离成像系统有比较远的距离。成像的图像好坏基本取决于仪器的质量。而扫描探针显微镜的工作原理是基于微观或介观范围的各种物理特性，探针和样品之间只有2-3埃的距离，会产生相互的作用，是一种相互影响的耦合体系。我们称它为近场显微镜。它的成像质量不单单取决于显微镜本身，很大程度上受样品本身和针尖状态的影响。所以，我们在使用这一类的仪器时，要想得到好的图像，关键是要学会分析判断各种图像及现象的产生原因，然后通过调整参数，得到相对好的图像。 2. 扫描探针显微镜的基本结构 (1) 减振系统 是仪器有效得到原子图像的必要保证。有效的振动隔离是STM达到原子分辨率所严格要求的一个必要条件，STM原子图像的典型起伏是0.1埃，所以外来振动的干扰必须小于0.05埃。有两类振动是必须隔离的：振动和冲击。振动一般是重复性和连续性的，而冲击则是瞬态变化的，在两者之中，振动隔离是最主要。通常采用悬吊来隔离振动。 (2)头部探测系统 由支架、针尖驱动机构（扫描器）、针尖和样品组成，是仪器的工作执行部分。 ①.扫描系统 扫描系统包括扫描器和针尖块。 扫描器使用4象限压电陶瓷管，采用样品扫描方式。 针尖块中密闭着前置放大器，通过引线将放大后的信号送至电子学控制箱。 针尖块的设计使用了专利技术—智能针尖连接结构。在进行不同工作模式之间的转化时，用户只需将我们提供的安装不同种类探针的针尖块插入针尖架中即可。系统会自动识别当前针尖的种类，并将软件切换到相应的工作模式。