扫描探针显微镜.doc

扫描探针显微镜（SPM）原理一、描隧道显微镜STM原理扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope)的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。对于经典物理学来说，当一个粒子的动能低于前方势垒的高度时，他不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。而按照量子力学的计算，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(如图1)，这个现象称为隧道效应。隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。经计算，透射系数为：由式(1)可见，与势垒宽度，能量差以及粒子的质量有着很敏感的关系。随着势垒厚(宽)度的增加，将指数衰减，因此在一般的宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势垒的现象。扫描隧道显微镜的基本原理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。隧道电流是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离以及平均功函数有关：式中是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数，和分别为针尖和样品的功函数，为常数，在真空条件下约等于1。隧道探针一般采用直径小于1nm的细金属丝，如钨丝、铂-铱丝等，被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流。由式(2)可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电流即增加约一个数量级。因此，根据隧道电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，如果同时对x，y方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。扫描隧道显微镜主要有两种扫描模式：恒电流模式和恒高度模式。a)恒电流模式。如图(a)所示，式中是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数，和分别为针尖和样品的功函数，为常数，在真空条件下约等于1。隧道探针一般采用直径小于1nm的细金属丝，如钨丝、铂-铱丝等，被观测样品或荧光屏上显示出来，就得到了样品表面的态密度的分布或原子排列的图象。此模式可用来观察表面形貌起伏较大的样品，而且可以通过加在z方向上驱动的电压值推算表面起伏高度的数值。b)恒高度模式。如图(b)所示，在扫描过程中保持针尖的高度不变，通过记录隧道电流的变化来得到样品的表面形貌信息。这种模式通常用来测量表面形貌起伏不大的样品。
二、原子力显微镜（AFM）原理1986年，Binnig、Quate和Gerbe发明了原子力显微镜（AFM）。AFM的基本原理与STM类似，在AFM中，对力敏感的易弯曲的悬臂上的尖端对样品表面作光栅式扫描。尖端与样品表面的相互作用力使得悬臂产生微小的弯曲，检测这种弯曲的信号并用作反馈。通过保持力的恒定，可以获得恒定力状态下的样品表面的形貌图像。相对于STM只能用于良导体和半导体材料的研究而言，AFM既可用于导电样品，也可以用于非导电样品，因而AFM极大地扩展了应用范围，特别是应用于生物样品，可以进行活性的动态研究，几乎无需进行样品制备。库仑力示意图所谓原子力显微镜（AFM）就是利用原子间的作用力来达到观察目的的显微镜，图2.1示出原子间作用力的情况。原子间的力很小，如何才能灵敏地加以利用？人们通过计算发现，制造一个弹性系数小于原子之间的相关的量是很容易的。例如，结合在分子或晶格中的原子的振荡频率（ω）为1012赫兹或更高，原子的质量（m）在10-25千克左右，则原子之间的弹性系数（ω2m）为10N/m的量级。而一片4mm长1mm宽的家用铝箔的弹性系数约1N/m。因此利用这类可敏感到0.1纳米的偏移量的弹性悬臂，人们可以获得原子级的形貌图像。而且所利用的这种力也不至于大到将原子离开它原来所在的位置，这就是原子力显微镜的物理基础。针尖和样品表面的相互作用转化为电子学信号，由显微镜的控制电子学系统来处理。对STM，相互作用即是自身的隧道电流，因此只要简单地用低噪声的放大器来扩增信号。其他的SPM技术需要一个用于转换的换能器。在AFM里，换能器是一个灵敏感的弹性悬臂，长约100m—200m，针尖安装在悬臂的自由端，针尖和样品之间的任何相互作用力都会导致悬臂的弯曲，这种弯曲可用光学方法检测，当弯曲很小时，它与力成正比。商业化提供的悬臂具有的弹性系数的典型值为0.1~100N/m。悬臂的示意图如下。(a)为一种商用的悬臂(b)为针尖的电镜图像按照针尖和样品间作用力的不同，AFM可以分为轻敲模式、接触模式和非接触模式。我公司的AFM主要功能为轻敲模式和接触模式AFM，下面主要介绍一下这两种模式的AFM技术以及操作。
1.轻敲模式成像技术轻敲模式是介于接触模式和非接触模式之间的成像技术，轻敲模式的出现使得AFM仪器的应用扩展到更为宽广的领域和上升到一个更高的层次