第七章 扫描探针显微分析
第七章扫描探针显微分析
一、教学目的
理解并掌握扫描隧道显微镜和原子力显微镜的基本原理、特点及应用。了解扫描隧道显微镜和原子力显微镜的结构。
二、重点、难点
重点：扫描隧道显微镜和原子力显微镜的基本原理、特点及应用。
三、教学手段
多媒体教学
四、学时分配
4学时
第一节概述
电子探针显微分析（Electrom Probe Microanalysis——EPMA）也称为电子探针X射线显微分析，是利用电子光学和X射线光谱学的基本原理将显微分析和成分分析相结合的一种微区分析方法。该分析方法特别适用于分析试样中微小区域的化学成分分析，是研究材料组织结构和元素分布状态的极为有用的分析方法。
扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscopes 简称SPM)包括扫描显微镜(STM)、原子力显微镜（AFM）、激光力显微镜（LFM）、磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜以及扫描热显微镜等，是一类完全新型的显微镜。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，便可以分辨出其它显微镜所无法分辨的极小尺度上的表面特征。
一、SPM的基本原理
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。因此，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）。
二、SPM的特点
1. 原子级高分辨率。STM在平行和垂直于样品表面方向的分辨率分别可达
0.1nm 和0.01nm，即可以分辨出单个原子，具有原子级的分辨率。
2. 可实时地得到实空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及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，因而可直接观察表面缺陷、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，以及水和其它溶液等不同环境下工作，不需要特别的制样技术，并且探测过程对样品无损伤。这些特点适用于研究生物样品和在不同试验条件下对样品表面的评价。
5. 配合扫描隧道谱STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到有关表面结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。
第二节扫描隧道电子显微分析（STM）
一、STM的工作原理
1.隧道效应和隧道电流
将原子线度的极细针尖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时（通常小于1nm），在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的绝缘层流向另一个电极，这种现象称为隧道效应。
隧道电流强度与针尖与样品表面之间的距离非常敏感，如果距离小于0.1nm，电流将增加一个数量级。遂穿电阻与针尖垂直移动距离的关系：R(s)＝exp（Aφ1/2s），A＝1.025eV－1Α－1，s 为间距。
2.工作原理
隧道扫描显微镜的基本原理是基于量子力学的隧道效应。当导电表面与探针保持一定距离（～10 ?）时，它们的电子波函数发生重叠，加一个小电压，就会产生遂穿电流。当探针与表面间改变一个原子尺度（3?左右），隧穿电流可以改变1000倍，所以对距离非常敏感，可以检测1～2个原子层深度的变化。探针在表面进行扫描时，使隧穿电流保持恒定，这样探针的位置，就能直接反映出表面的原子排列。
二、STM的工作模式
（一）恒流模式：以設定的穿隧电流(约1nA)為反馈信号。由于探针与样品表面的间距和穿隧电流的关系十分敏感，设定穿隧电流值，即锁定探针和样品表面之间的距离。当探针在样品表面扫描时，探针必須随表面的起伏调整其高度(即z值)。因此，以探针的高度变化来成像，就反映出样品表面的形貌。
（二）恒高模式：直接以穿隧电流值来成像。当探针以固定的高度扫描样品表面时，由于表面的高低变化，导致探针和样品表面的間距变化，穿隧电流值也
随之改变。
（三）其他工作模式：
1. I(Z)谱测量：通过改变针尖的高度得到的一系列的隧道电流而形成的曲线。I(Z)谱可检测针尖的质量。
2. I(V)谱测量：断开反馈回路，固定针尖位置，通过一系列不同的偏压下得到的隧道电流而形成的曲线。
3. 势垒高度图象：对针尖Z方向的压电管加一交流电压从而调制针尖与样品的距离，可根据调制的信号得到dI/dZ在表面形成的图象。该图象提供了样品表面的微观功函数的空间分布。
4. 电子态密度图象：在扫描过程中，偏压V以dU调制，从而得到调制后的隧道电流dI，这样dI/dV在表面形成的图象就反应了样品表面的电子态密度分布。
表7-1 STM的扫描模式优缺点比较
三、STM的应用
1.纳米加工技术
基于扫描探针显微镜的纳米加工技术，包括了一种纳米刻蚀技术（Nanolithgraphy）。这种技术可以实现在纳米尺度上制备产品。目前刻蚀图形的线宽约10nm。日本NEC 公司已研制出超高密度记录技术，其记录密度为目前磁盘的3000 倍。若将STM 刻蚀技术与分子束外延薄膜生产技术相结合，即可用于制造三维尺寸均的纳米级的量子器件。例如利用砷镓和砷铝镓多层分子束外延薄膜材料加上纳米刻蚀，即可构成电或光的量子器件。这将对微电子、激光技术和光电技术带来革命性的影响。
2.原子操纵
扫描探针显微镜所提供的单个原子、分子的操纵手段还可能导致原子级的计算机开关器件的诞生。相当方便面地移走材料表面的某一种原子和搬来另一种原子，从而形成一种新材料。这一切在数分种内就可以完成。这种显微镜最激动人心的用途就是用于制造"原子尺寸"的计算机和毫微芯片。
STM 是又一新型、先进的表面分析技术，它能在多种实验环境（真空、大气、溶液、低温等）下高分辨地实时观察导体和半导体表面的表面结构，提供其它表面分析技术不能提供的新信息。STM 的出现，使得金属、半导体表面几何结构和电子结构的研究进入了一个新的层次。
3.金属和半导体表面的STM研究
从理论上讲，某些金属的表面结构可以根据晶体的结构推断，但实际上许多表面为了达到能量最低往往发生重构，化学吸附引起的表面重构，用STM 研究有独特的优点。它不仅能实现实时观察具有或不具有周期性结构的金属表面，而且通过比较具有不同气体覆盖度的金属表面STM 图，可以研究化学吸附诱导金属表面重构的成核和生长等的微观机理。
4.STM在生命科学研究领域的应用
STM 在核酸结构、蛋白质和酶的结构、生物膜结构以及超分子水平的生命结构的研究中取得了一系列的成果。STM 能够在较高的分辨率水平上观察样品的实三维表面结构，可适用于不同的探测环境，可改变观测范围，为研究各种不同层次的生命结构提供了可能，能在接近原子水平、分子水平、超分子水平、亚细胞水平等全面地研究生物样品的结构。对裸漏的I 型胶原蛋白进行的STM 获得了高分辨率的图像，能够看到单个胶原蛋白链上约9nm 的周期性峰，研究者认为这一周期反映了胶原蛋白单体链的周期性。在对细胞骨架的STM 研究中，已经分别获得了微管蛋白和中等纤维的图像。
第三节原子力显微镜（AFM）及其应用
从扫描隧道显微镜的工作原理可知，其工作时必须实时通过检测针尖和样品间隧道电流变化实现样品结构成像，因此它只能用于观察导体或半导体材料的表面结构，不能实现对绝缘体表面形貌的观察。
为了测量绝缘体样品的表面结构，1986年， Binnig,Quate和Gerber在扫描隧道显微镜的基础上发明了原子力显微镜(Atomic Force Microscopy，AFM) 。
跟所有的扫描探针显微镜一样，AFM 使用一个极细的探针在样品表面进行光栅扫描，探针是位于一悬臂的末端顶部，该悬臂可对针尖和样品间的作用力作出反应。
AFM 提供一种使锐利的针尖直接接触样品表面而成像的方法。绝缘的样品和有机样品均可以成像。可以获得原子分辨率的图像。AFM 的应用范围比STM 更为广阔，AFM 实验可以在大气、超高真空、溶液以及反应性气氛等各种环境中进行，除了可以对各种材料的表面结构研究外，还可以研究材料的硬度、弹性、塑性等力学性能以及表面微区摩擦性质；也可以用于操纵分子、原子进行纳米尺度的结构加工和超高密度信息存储。
一、AFM的仪器结构和工作原理
二极管激光器（Laser Diode）发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂（Cantilever）背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器（PSD）。在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。
（一）基本结构
原子力显微镜的基本结构如图2-96所示。由图可知其主要由三部分组成，分别为力检测部分、位置检测与调节部分和信息控制处理部分.
图7-1 原子力显微镜的基本结构
1．力检测部分
力检测部分是AFM的关键组成部分，其主要是由一个头组成，头上带有一个用来扫描样品表面的探针，探针之尖端的曲率半径则在纳米量级，探针是装在微观悬臂（cantilever）上，悬臂大小在数十至数百微米，通常由硅或者氮化硅构成。在原子力显微镜系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力，通过微小悬臂来检测原子之间力的变化量。
2. 位置检测与调节部分
位置检测与调节部分的作用合理的控制样品与探针之间的距离，其主要是通过一组步进马达、压电陶瓷、激光器和激光探测装置实现。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cantilever的末端时，其反射光的位置也会因为cantilever 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，通过控制器作信号处理，然后驱动马达进行运动调节位置。
3．信息处理与控制部分
原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光检测器探测，并传入控制器，在控制器中进行分析处理，然后反馈回去，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合适的作用力，测试结果与操作指令通过计算机控制程序。
（二）基本原理及工作方式
1．基本原理
原子力显微镜的基本原理是：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，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。
二、工作方式
AFM的工作模式可以分为接触模式（Contact Mode）、非接触（Non-Contact Mode）、轻敲模式(Tapping Mode)、侧向力(Lateral Force Mode)模式等
三、特点
（1）高分辨力能力远远超过扫描电子显微镜（SEM），以及光学粗糙度仪。样品表面的三维数据满足了研究、生产、质量检验越来越微观化的要求。
（2）非破坏性，探针与样品表面相互作用力为10－8N以下，远比以往触针式粗糙度仪压力小，因此不会损伤样品，也不存在扫描电子显微镜的电子束损伤问题。另外扫描电子显微镜要求对不导电的样品进行镀膜处理，而原子力显微镜则不需要。
（3）应用范围广，可用于表面观察、尺寸测定、表面粗糙测定、颗粒度解析、突起与凹坑的统计处理、成膜条件评价、保护层的尺寸台阶测定、层间绝缘膜的平整度评价、VCD涂层评价、定向薄膜的摩擦处理过程的评价、缺陷分析等。
（4）软件处理功能强，其三维图象显示其大小、视角、显示色、光泽可以自由设定。并可选用网络、等高线、线条显示。图象处理的宏管理，断面的形状与粗糙度解析，形貌解析等多种功能。
四、AFM的样品制备
（一）纳米粉体材料：
应尽量一单层或亚单层形式分散并固定在基片上，应该注意以下三点：
1）选择合适的溶剂和分散及剂将粉体材料制成稀溶液，必要时采用超声分散以减少纳米离子的团聚聚，以便均匀的分布在基片上；
2）根据纳米粒子的亲水、疏水特性，表面化学特性等选择合适的基片。常用的有云母、高序热解石墨（HOPG）、单晶硅片、玻璃、石英等，如果要详细的研究粉体材料的尺寸、形状等性质，要尽量选择表面原子级平整的云母、HOPG 等作为基片；
3）样品尽量牢固地固定到基片上，必要时采用化学键合、化学特定吸附或静电相互作用等方法。如金纳米粒子，采用双硫醇分子作为连接层可以将其固定到镀金基片上。在350 度时烧结也可以把金纳米粒子有效地固定在半导体材料表面上。
（二）生物样品
也需要固定到基片上，原则与粉体材料基本相同，只是大多数时候都需要保持生物样品的活性，所以大多在溶液中进行。
五、AFM的应用
1. 薄膜表面整体形态研究：
2. 膜孔径和孔径分布研究：
3. 粗糙度研究。
《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 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（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。
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（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。
扫描探针与近场显微技术
Karl Wang
上海迈培光电技术有限公司
技术背景
? 自从1982年Binning与Robher等人共同发明扫描 穿隧显微镜(scanning tunneling microscope, STM)之后，人类在探讨原子尺度上向前跨出了一 大步，对于材料表面现象的研究也能更加的深入 了解。在此之前，能直接看到原子尺寸的仪器只 有场离子显微镜(Field ion microscopy, FIM)与电 子显微镜(Electron microscope, EM)。 ? STM其原理主要是利用电子穿隧的效应来得到原 子影像，材料须具备导电性，应用上有所限制。
技术背景
? 1986年Binning等人利用探针的观念又发展出原子力 显微镜(Atomic force microscope, AFM) ，AFM不但 具有原子尺寸解析的能力，亦解决了STM在导体上的 限制，应用上更为方便。 ? 自扫描式穿隧显微镜问世以来，许多类型的探针显微 镜不断被开发出来。如：扫描式穿隧显微镜(STM)， 近场光学显微镜(NSOM)，磁力显微镜(MFM)，化学 力显微镜(CFM)，扫描式热电探针显微镜(SThM)， 相位式探针显微镜(PDM)，静电力显微镜(EFM)，侧 向摩擦力显微镜(LFM)，原子力显微镜(AFM)等。
SPM家族
**其中，AFM、SNOM/NSOM是最为常用的扫描探针显微镜。
原子力显微镜（AFM）
? AFM是以针尖与样品之间的属于原子级力场作用 力作为探测手段获取表面形貌的显微工具。 ? AFM可适用于各种的物品，如金属材料、高分子 聚合物、生物细胞等，并可以操作在大气、真空、 电性及液相等环境，进行不同物性分析，所以它 可以用于获得包括绝缘体在内的各种材料表面上 原子级的分辨率，其应用范围无疑比其它显微分 析技术更加广阔。
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，是国际上近年发展起来的表面分析仪器，是综合运用光电子技术、激光技术、微弱信号检测技术、精密机械设计和加工、自动控制技术、数字信号处理技术、应用光学技术、计算机高速采集和控制及高分辨图形处理技术等现代科技成果的光、机、电一体化的高科技产品。 扫描探针显微镜是指一类通过微小探针在样品表面扫描，将探针与样品表面间的相互作用转换为表面形貌和特性图像的显微镜。它提供了表面的三维高空间分辨的图像。 扫描探针显微镜(SPM)主要包括扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)两种功能。完整的扫描探针显微镜由控制系统和显微镜系统组成。 扫描隧道显微镜的工作原理是利用电子隧道现象，将样品本身作为一具电极，另一个电极是一根非常尖锐的探针。把探针移近样品，并在两者之间加上电压，当探针和样品表面相距只有数十埃时，由于隧道效应在探针与样品表面之间就会产生隧穿电流，并保持不变。若表面有微小起伏，那怕只有原子大小的起伏，也将使穿电流发生成千上万倍的变化。这些信息输入电子计算机，经过处理即可在荧光屏上显示出一幅物体的三维图像。扫描隧道显微镜一般用于导体和半导体表面的测定。 原子力显微镜主要包括接触模式、非接触模式和轻敲模式。一个对力非常敏感的微悬臂，其尖端有一个微小的探针，当探针轻微地接触、接近或轻敲样品表面时，由于探针尖端的原子与样品表面的原子之间产生极其微弱的相互作用力而使微悬臂弯曲，将微悬臂弯曲的形变信号转换成光电信号并进行放大，就可以得到原子之间力的微弱变化的信号。这些信息输入电子计算机，经过处理即可在荧光屏上显示出一幅物体的三维图像。 SPM作为新型的显微工具与以往的各种显微镜和分析仪器相比有着其明显的优势：首先，SPM具有极高的分辨率。它可以轻易的“看到”原子，这是一般显微镜甚至电子显微镜所难以达到的。 其次，SPM得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图像。而不同于某些分析仪器是通过间接的或计算的方法来推算样品的表面结构。也就是说，SPM是真正看到了原子。 再次，SPM的使用环境宽松。电子显微镜等仪器对工作环境要求比较苛刻，样品必须安放在高真空条件下才能进行测试。而SPM既可以在真空中工作，又可以在大气中、低温、常温、高温，甚至在溶液中使用。因此SPM适用于各种工作环境下的科学实验。 SPM的应用领域是宽广的。无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料、微电子等应用学科都有它的用武之地。 SPM的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的。 同其它表面分析技术相比，SPM 有着诸多优势，不仅可以得到高分辨率的表面成像，与其他类型的显微镜相比（光学显微镜，电子显微镜）相比，SPM扫描成像的一个巨大的优点是可以成三维的样品表面图像，还可对材料的各种不同性质进行研究。同时，SPM 正在向着更高的目标发展，即它不仅作为一种测量分析工具，而且还要成为一种加工工具，也将使人们有能力在极小的尺度上对物质进行改性、重组、再造．SPM 对人们认识世界和改造世界的能力将起着极大的促进作用。同时受制其定量化分析的不足，因此SPM 的计量化也是人们正在致力于研究的另一重要方向，这对于半导体工业和超精密加工技术来说有着非同一般的意义
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
８传感器技术（Ｊ。ｕｒｎａｌ【，ｆＴｒａｎ副ｕｃ叮陆ｈｎｃ山础）２００３年第２２卷第９期 用于微观几何形状测量的扫描探针显微技术 王晓东１，常城２，宋洪侠３ （１大连理工大学微系统研究中心，辽宁大连１１６０２４； ２哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨１５０∞ｌ；３大连理工大学机械工程学院，辽宁大连１１６０２４） 摘要：随着微技术的发展，对微观结构的精确测量变得越来越重要。对能够用于微观几何形状测量的 扫描探针显微技术——扫描隧道显微术（盯Ｍ）、扣描光学近场显微术（ｓＮｏＭ）和原子力显微术（ＡＦＭ）进 行了比较详细的分析和介绍。 关键词：扫描探针显微术；微观几何形状；传感器 中图分类号：ＴＰ２１２；ＴＨ盯４文献标识码：Ａ文章编号：１０００—９７８７（２００３）０９—０００８一０４ Ｓｃａｎｎｉｎｇｐｒｏｂｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙｆｏｒｍｉｃｒｏ－ｇｅｏｍｅｔｒｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｗＡＮＧｘｌ静ｄｏｎ９１，ｃ卜ＩＡＮＧｃｈｅｎ９２，ＳＯＮＧ｝｛０ｎｇ．ｘｉａ３ （１．Ｒ嚣Ｃｅｎｔｅｒｆｏｌ‘Ｍｉｃｍｓｙｓｔ锄ｎｄｍ，Ｄａｌｉ粕ＵｎｉⅧ两ｔｙｏｆｌＫｈ∞ｌｏ酊，Ｉ）ａｌｉ蛐１１６０“，ｃｈｉｍ； ２．ｓｃｈｏｆＡｕｔ咖Ｕ蚰Ｅｒｌｇｉｎ．ＨａｒｍｎＥ唧Ｔ枷ＩＩｇＵｎｉ岫硝ｔｙ，Ｈ盯ｂｉｎ１５０∞ｌ，ＣｌＩｉｎａ； ３．ｓｃｌｌｏｆＭｅｃｌｌＥｎｇｉｎ．Ｄａｌｉ锄ＵⅡｉｖｅ倦ｉｌｙｏｆ瞰Ｉｌｌｌｏｌｏ酣，叫ｉ粕１１６０２４，ｃｈｉ呐） Ａｂｓ岫ｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｄ州ｄｏｐｍｅｍｄ眦删ｔｅｃｈｌｏｋ）ｇｙ，ｔ｝把ｍｅａｓｕｒｅｍｅｍｏｆｔｈ８ｇｅ。ｍ唧ｄｍＩｃＨ埘Ｔｕｃｔｕｒ器ｗ；ｔｈ ｈＬｇｈａｃｃＬｌｒａｃｙｂｅｃ。ｍ麟ｒｒ衄ｅ蛐ｄｒｎｏｒｅｉｍｐ。ｒｔａｎｔＳ０ｍｅ。ｆｔｋ【ｅｃｌｌｌｌｌｑｕｅｓｏｆ洲ｉ“ｇｐｍｂｅｍ；ⅢＨ∞ｐｙｗｈｉｃｈ ａｒｅｕ剃ｆｏｒｍｉｃｒｏ－ｇｅ。ｍｅｔｒｙｍｅａｓｕｒ盯ｎ朗ｔａｒｅｓＬ｜ｒＩｍｌａ＾ｚｅｄａｎｄ蛳ａＩ”ｅｄ．１ｎｃｌＬ血。１９ｓｃａｌｌ血ｎｇｔｕｎｎｅｌｉｎｇ叫一 ｃｒｏｓｏ叩ｙ，５ｃａｎｎｉｎｇｎｅａｒ—ｎｄｄ０ｐｔｉｃａｌｍｉｃｒ。ｓ∞ｐｙａｎｄａｔｏｍｌｃｆｏｒｃｅ叫衄Ｈｃｏｐｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｃａｒｌｎｌｎｇｐｒｏｂｅ蚵ｃ１娜ｙ（ＳＰＭ）；ｍｉｃｎｇｅｏｒｎｅｔｒｙ；ｓｅ蝴 ０引言 利用精密测量仪器和微操作机构，人类已经走进了微观世界，并不懈地进行微技术的研究和开发。微技术的发展使得产品微小型化并集成各种功能成为可能，与此同时，不断的微小型化，使得对微观结构的精确测量变得越来越重要。近ｌＯ年来，表面物理学的基础研究使得扫描探针显微技术（ＳＰＭ）得到发展，这种新型技术能够对微观几何形状及其它表面特性进行测量分析。扫描探针显微镜同光学和电子显微镜有着明显的区别，扫描探针显微镜使用很小的探针去“接触”被测量物体的表面，与物体表面极其接近，距离极小，具有原子量级的分辨力…。利用扫描探针显微技术可以在１５０～１５０“ｍ２的范围内，可获得原子量级的测量准确度。 扫描探针显微术是一类显微术的总称，具体包括。Ｐ几种或更多的具体技术，这些技术在概念和具体技术上以扫描隧道显微术（ｓｃａＩｌｎｉｎｇｔｕｎｎｅｌｉｎｇ 收稿日期：２００３一０３—２９ｍｉｃｍｓｃｏｐｙ，ＳＴＭ）为基础【“。本文将具体对扫描隧道显微术、扫描光学近场显微镜（ＳｃａｎｎＩｎｇｎｅａｒ－ｆｉｅｌｄｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｍｓｃｏｐｙ，ｓＮｏＭ）和原子力显微术（ａｔｏｍｉｃ如ｒｃｅｍｉｃｍｓ∞ｐｙ，ＡＦＭ）等三种扫描探针显微技术进行具体介绍和分析。 ｌ扫描隧道显微术（ｓ１Ｍ） 图１所示为扫描探针显微技术的基本原理【３Ｊ。 圈１扫描探针豆徽拉术的原理 ｎｇｌｓｃ｝娜＿¨ｃｍ雄册ｏｒ ＳＰＭ 万方数据
第八章 电子探针、扫描电镜显微分析 中国科学院上海硅酸盐所李香庭 1 概论 1.1 概述 电子探针是电子探针X射线显微分析仪的简称，英文缩写为EPMA(Electron probe X-ray microanalyser)，扫描电子显微境英文缩写为SEM（Scanning Electron Microscope）。这两种仪器是分别发展起来的，但现在的EPMA都具有SEM的图像观察、分析功能，SEM也具有EPMA的成分分析功能，这两种仪器的基本构造、分析原理及功能日趋相同。特别是现代能谱仪，英文缩写为EDS（Energy Dispersive Spectrometer）与SEM组合，不但可以进行较准确的成分分析，而且一般都具有很强的图像分析和图像处理功能。由于EDS分析速度快等特点，现在EPMA通常也与EDS组合。虽然EDS的定量分析准确度和检测极限都不如EPMA的波谱仪（Wavelength Dispersive Spectrometer ，缩写为WDS）高，但完全可以满足一般样品的成分分析要求。由于EPMA与SEM设计的初衷不同，所以二者还有一定差别，例如SEM以观察样品形貌特征为主，电子光学系统的设计注重图像质量，图像的分辨率高、景深大。现在钨灯丝SEM的二次电子像分辨率可达3nm，场发射SEM二次电子像分辨率可达1nm。由于SEM一般不安装WDS，所以真空腔体小，腔体可以保持较高真空度；另外，图像观察所使用的电子束电流小，电子光路及光阑等不易污染，使图像质量较长时间保持良好的状态。 EPMA一般以成分分析为主，必须有WDS进行元素成分分析，真空腔体大，成分分析时电子束电流大，所以电子光路、光阑等易污染，图像质量下降速度快，需经常清洗光路和光阑，通常EPMA二次电子像分辨率为6nm。EPMA附有光学显微镜，用于直接观察和寻找样品分析点，使样品分析点处于聚焦园（罗兰园）上，以保证成分定量分析的准确度。 EPMA和SEM都是用聚焦得很细的电子束照射被检测的样品表面，用X射线能谱仪或波谱仪，测量电子与样品相互作用所产生的特征X射线的波长与强度，从而对微小区域所含元素进行定性或定量分析，并可以用二次电子或背散射电子等进行形貌观察。它们是现代固体材料显微分析(微区成份、形貌和结构分析)的最有用仪器之一，应用十分广泛。电子探针和扫描电镜都是用计算机控制分析过程和进行数据处理，并可进行彩色图像处理和图像分析工作，所以是一种现代化的大型综合分析仪。现在国内各种型号的电子探针和扫描电镜有近千台，分布在各个领域。 1.2电子与固体样品的交互作用 一束细聚焦的电子束轰击样品表面时，入射电子与样品的原子核和核外电子将产生弹性或非弹性散射作用，并激发出反映样品形貌、结构和组成的各种信息，如二次电子、背散射电子、吸收电子、阴极发光和特征X射线等（图8－1）。
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 【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。
第三章 掃描式電子顯微鏡(SEM)、X光微區分析(EDS)、掃描探針顯微術(STM/AFM) (STM/AFM) 引言 在科學的發展史上，顯微技術一直隨著人類科學文明不斷地突破，科學研究及工業技術也隨著新的顯微技術的發明，而推至更微小的世界。近十年來，隨著電子科技的進步，微電子元件已經邁入深次微米的尺度，本章將介紹四種目前最為常用的微結構表面分析儀器―掃描式電子顯微鏡(SEM)、X光微區分析(EDS)、掃描探針顯微術(STM/AFM)的基本原理及應用 許明祺(25%)高基迪(25%) 蔡嘉慶(25%) 林姿伶(25%) 3-1. 掃描式電子顯微鏡 Scanning Electron Microscope（SEM） 1.前言 SEM的工作原理和理論構想在1935年由德國Knoll提出，而直到1942年時第一部實驗用的SEM才被正式使用。但因成像的解析度不佳，尚須改進，所以在1959年時出現解析度為10nm的SEM。直到1965年，由英國Cambridge公司才推出第一部商品化的SEM，隨著SEM的改良使得解析度提高、操作自動化、電腦化以及價格的降低。製作容易、影像解析度高、放大倍率可達104以上，且有景深長的特性，亦可清楚的觀察表面起伏大的物體。因此，SEM已是功能強大、使用普及的材料分析設備。 2.原理 利用電子槍產生電子束經柵極（Wehnelt cylinder）聚集而形成幾十um大小的點光源，在陽極加速電壓（0.2?0.4kv）作用下，再經過包含三個電磁透鏡所組成的電子光學系統，使電子束聚焦成一細小約幾個nm的電子束照射試片表面，由於末端透鏡上裝有掃描線圈，其主要是用來偏折電子束，使其在試片上能做二度空間的掃描，並且此掃描器與陰極射線（CRT）上掃描同步，當此電子束打至試片時會激發出二次電子（secondary electron）和反射電子。這些電子被偵測器偵測時，訊號經由放大器送至CRT，由於掃描線圈上的電流與顯像管的電流是同步的，所以，試片表面上任一點產生的訊號和顯像管相互對應，因此，試片表面的形貌、特徵等可藉由 同步成像的方式而一一表現出來。 2-1電子束與試片的相互作用 電子束照射在試片上會產生二次電子、反射電子、吸收電子、歐傑電子、特性X光、陰極發光等。在SEM上主要是偵測二次電子及反射電子。 2-1a二次電子： 當電子撞擊試片原子的的候， 會釋放出弱鍵結
第七章扫描探针显微分析 一、教学目的 理解并掌握扫描隧道显微镜和原子力显微镜的基本原理、特点及应用。了解扫描隧道显微镜和原子力显微镜的结构。 二、重点、难点 重点：扫描隧道显微镜和原子力显微镜的基本原理、特点及应用。 三、教学手段 多媒体教学 四、学时分配 4学时 第一节概述 电子探针显微分析（Electrom Probe Microanalysis——EPMA）也称为电子探针X射线显微分析，是利用电子光学和X射线光谱学的基本原理将显微分析和成分分析相结合的一种微区分析方法。该分析方法特别适用于分析试样中微小区域的化学成分分析，是研究材料组织结构和元素分布状态的极为有用的分析方法。 扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscopes 简称SPM)包括扫描显微镜(STM)、原子力显微镜（AFM）、激光力显微镜（LFM）、磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜以及扫描热显微镜等，是一类完全新型的显微镜。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，便可以分辨出其它显微镜所无法分辨的极小尺度上的表面特征。 一、SPM的基本原理 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。因此，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）。 二、SPM的特点 1. 原子级高分辨率。STM在平行和垂直于样品表面方向的分辨率分别可达
0.1nm 和0.01nm，即可以分辨出单个原子，具有原子级的分辨率。 2. 可实时地得到实空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及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，因而可直接观察表面缺陷、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，以及水和其它溶液等不同环境下工作，不需要特别的制样技术，并且探测过程对样品无损伤。这些特点适用于研究生物样品和在不同试验条件下对样品表面的评价。 5. 配合扫描隧道谱STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到有关表面结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。 第二节扫描隧道电子显微分析（STM） 一、STM的工作原理 1.隧道效应和隧道电流 将原子线度的极细针尖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时（通常小于1nm），在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的绝缘层流向另一个电极，这种现象称为隧道效应。 隧道电流强度与针尖与样品表面之间的距离非常敏感，如果距离小于0.1nm，电流将增加一个数量级。遂穿电阻与针尖垂直移动距离的关系：R(s)＝exp（Aφ1/2s），A＝1.025eV－1Α－1，s 为间距。 2.工作原理 隧道扫描显微镜的基本原理是基于量子力学的隧道效应。当导电表面与探针保持一定距离（～10 ?）时，它们的电子波函数发生重叠，加一个小电压，就会产生遂穿电流。当探针与表面间改变一个原子尺度（3?左右），隧穿电流可以改变1000倍，所以对距离非常敏感，可以检测1～2个原子层深度的变化。探针在表面进行扫描时，使隧穿电流保持恒定，这样探针的位置，就能直接反映出表面的原子排列。 二、STM的工作模式 （一）恒流模式：以設定的穿隧电流(约1nA)為反馈信号。由于探针与样品表面的间距和穿隧电流的关系十分敏感，设定穿隧电流值，即锁定探针和样品表面之间的距离。当探针在样品表面扫描时，探针必須随表面的起伏调整其高度(即z值)。因此，以探针的高度变化来成像，就反映出样品表面的形貌。 （二）恒高模式：直接以穿隧电流值来成像。当探针以固定的高度扫描样品表面时，由于表面的高低变化，导致探针和样品表面的間距变化，穿隧电流值也
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，
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。