扫描探针显微镜-刘东

1、扫描探针显微镜扫描探针显微镜 （Scanning Probe Microscope，SPM）刘东刘东显微镜发展历史显微镜发展历史第一代：光学显微镜第一代：光学显微镜(1676)第二代：电子显微镜第二代：电子显微镜(1938) 第三代：扫描探针显微镜第三代：扫描探针显微镜SPM （1982）扫描探针显微镜扫描探针显微镜 vSPM(Scanning Probe Microscope) 是扫描隧道显微镜是扫描隧道显微镜STM及原子力显微镜及原子力显微镜AFM，激光力显微镜，激光力显微镜LFM，磁力，磁力显微镜显微镜MFM等的统称，国际上近年发展起来的表面分析等的统称，国际上近年发展起来的表面分析仪器

2、。仪器。v控制探针在被检测样品的表面进行扫描，同时记录下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。样品表面的相关信息。v利用这种方法得到被测样品表面信息的分辨率取决于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）。尖锐度）。 SPM的特点的特点 u原子级高分辨率原子级高分辨率 ；u实空间中表面的三维图像实空间中表面的三维图像 ；u观察单个原子层的局部表面结构观察单个原子层的

3、局部表面结构 ;u可在真空、大气、常温等不同环境下工作可在真空、大气、常温等不同环境下工作; u可以得到有关表面结构的信息，例如表面不同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面势垒的变化和能隙结构等 。SPM分类分类 名称名称检测信号检测信号分辨率分辨率备注备注扫扫描描探探针针显显微微镜镜SPM扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜STM探针探针-样品间的隧道电流样品间的隧道电流0.1nm （原子（原子 级分级分 辨率）辨率） 原子力显微镜原子力显微镜AFM探针样品间的原子作用力探针样品间的原子作用

4、力统统称称扫扫描描力力显显微微镜镜SFM横向力显微镜横向力显微镜LFM探针样品间相对运动横向作用探针样品间相对运动横向作用力力磁力显微镜磁力显微镜MFM磁性探针样品间的磁力磁性探针样品间的磁力10nm静电力显微镜静电力显微镜EFM带电荷探针带电样品间静电力带电荷探针带电样品间静电力1nm近场光学显微镜近场光学显微镜SNOM光探针接收到样品近场的光辐射光探针接收到样品近场的光辐射100nm 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 (scanning tunneling microscope) u扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope) u1982年，年，G

5、erd Binning及其合作者在及其合作者在IBM公司公司苏黎世实验室共同研制成功了第一台苏黎世实验室共同研制成功了第一台 ，因此获，因此获得得1986 年的诺贝尔物理奖年的诺贝尔物理奖 。uSTM是通过检测隧道电流来反映样品表面形貌是通过检测隧道电流来反映样品表面形貌和结构的。和结构的。扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 STMn使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质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、表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。化学性质。n在在表面科学、材料科学、生命科学表面科学、材料科学、生命科学等领域的研等领域的研究中

6、有着重大的意义和广阔的前景，被国际科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学界公认为二十世纪八十年代世界十大科技成就之一。就之一。扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 STM出现的意义出现的意义Gerd Binning (IBM) (1947-)Heinrich Rohrer (Zurich) (1933-)In Touch with AtomsIn Touch with Atoms 美国商用机美国商用机器公司利用器公司利用STM直接操作原子，直接操作原子，成功地在成功地在Ni上，上，按自己的意志安按自己的意志安排原子合成排原子合成IBM 字样。字样。1. 高

7、分辨率，分辨率横向高分辨率，分辨率横向0.1nm、纵向、纵向0.01nm；2. 可实时地得到在实空间中表面的三维图象；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；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，甚至可将样品浸在可在真空、大气等不同环境下工作，甚至可将样品浸在溶液中，其工作温度可以在溶液中，其工作温度可以在mK到到1100K范围，并且探范围，并且探测过程对样品无损伤；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

8、构；面的原子操纵或纳米加工，构造所需的纳米结构；6. 配合扫描隧道谱配合扫描隧道谱STS可得到有关表面局域电子结构的信可得到有关表面局域电子结构的信息。息。STM的优点的优点扫描隧道显微镜的原理结构扫描隧道显微镜的原理结构n极细探针与研究物质作为两个探极。极细探针与研究物质作为两个探极。|扫描探针一般采用直径小于扫描探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂的细金属丝，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。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。n对于经典物理学来说，当一个粒子的动能对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的低于前方势垒的

9、高度高度V0时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零；时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零；n而按量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，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。为隧道效应。n穿过的概率和距离有关，距离越近，穿过的几率越大。当两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。一极，几率和两极的

10、间距成指数反比关系。1、隧道电流、隧道电流（1）隧道效应）隧道效应扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM）的工作原理是基于）的工作原理是基于量子力学量子力学的隧道效应。的隧道效应。0VEa量量子子力力学学中中的的隧隧道道效效应应)(22200016EVmaeVEVET）（T与势垒宽度与势垒宽度a、能量差（、能量差（V0E）以及粒子的质量）以及粒子的质量m有着很敏感的依赖关系，随着有着很敏感的依赖关系，随着a的增加，的增加，T将指数将指数衰减，因此在宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势衰减，因此在宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势垒的现象。垒的现象。透射系数透射系数（2）隧道电流）隧道电流 扫描隧道显

11、微镜是将扫描隧道显微镜是将原子线度的探针原子线度的探针和样品表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（通常小于1nm），在外加电场的作用下，电子会），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，道电流。因此，STM图像是样品表面原子几何结构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。和电子结构的综合效应的结果。隧道电流隧道电流I是针尖的电子波函数和样品表面的电子波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

12、函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S和平均功和平均功函数函数有关。有关。)exp(21SAVIbVb是加在针尖和样品之间的偏置电压，是加在针尖和样品之间的偏置电压， =(1 +2)/2是平均功函数是平均功函数,1和和2分别为针尖和分别为针尖和样品的功函数，样品的功函数，A为常数，在真空条件下约等于为常数，在真空条件下约等于1。n由上式可知，隧道电流由上式可知，隧道电流I对针尖和样品之间的距离对针尖和样品之间的距离S有着有着指数指数的依赖关系，的依赖关系，距离距离S每减小每减小0.1nm，隧，隧道电流就增加一个数量级道电流就增加一个数量级。n如果利用电子反馈线路控制隧道电流恒定不变，如果利用电

13、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，这就是下来就得到样品的表面形貌，这就是STM的工作的工作原理原理。STM的工作原理示意图的工作原理示意图AxyzSrTIV,反馈回路B原子尺度原子尺度针尖针尖被分被分析样析样品品样品与针样品与针尖间距尖间距扫描模式扫描模式n恒电流模式恒电流模式：适用于观察表面形貌起伏较大的样品。：适用于观察表面形貌起伏较大的样品。n恒高度模式恒高度模式：扫描速度快，减少噪音等，不能用于观

14、察表：扫描速度快，减少噪音等，不能用于观察表面起伏大于面起伏大于1nm 的样品。的样品。（a）恒电流模式；）恒电流模式； （b）恒高度模式）恒高度模式STM的仪器构造的仪器构造STM InstrumentationSTM由具有减振系统的由具有减振系统的头部头部(含探针和样品台含探针和样品台)、电子学控制系统和包括电子学控制系统和包括A/D 多功能卡的计算机组多功能卡的计算机组成。成。TipScannerSample positionerVibration isolationControl electronicsPre-amplifierFeedbackScan control Computer

15、 and software隧道针尖隧道针尖nSTM技术中的主要问技术中的主要问题。针尖尺寸、形状题。针尖尺寸、形状及化学同一性不仅影及化学同一性不仅影响分辨率还关系电子响分辨率还关系电子结构测量。结构测量。n钨针尖的制备：电化钨针尖的制备：电化学腐蚀方法学腐蚀方法n铂铱合金针尖的制备：铂铱合金针尖的制备：1）两步电化学腐蚀法；）两步电化学腐蚀法；2）机械成形法；）机械成形法；3）剪切法剪切法压电陶瓷步进马达扫描控制器压电陶瓷步进马达扫描控制器n压电现象：某种晶体机械力压电现象：某种晶体机械力形变形变电场电场x x，y y，z z扫描控制器件。扫描控制器件。n压电陶瓷材料：极化处理压电陶瓷材料：

16、极化处理振动隔绝系统振动隔绝系统n工作针尖与样品间距小于工作针尖与样品间距小于1nm，隧道电流与间，隧道电流与间距成指数关系。距成指数关系。n恒流模式中，表面起伏通常为恒流模式中，表面起伏通常为0.01nm，振动引，振动引起小于起小于0.001nm。nSTM减震系统设计主要考虑低频：减震系统设计主要考虑低频：1-100HZn防振：防振：1.提高仪器的固有振动频率。提高仪器的固有振动频率。 2.使用振动阻尼系统。使用振动阻尼系统。电子学控制系统电子学控制系统 STM要用计算机控制步进电机的驱动，使探针要用计算机控制步进电机的驱动，使探针逼近样品，进入隧道区，而后要不断采集隧道电逼近样品，进入隧道

17、区，而后要不断采集隧道电流，在恒电流模式中还要将隧道电流与设定值相流，在恒电流模式中还要将隧道电流与设定值相比较，再通过反馈系统控制探针的进与退，从而比较，再通过反馈系统控制探针的进与退，从而保持隧道电流的稳定。所有这些功能，都是通过保持隧道电流的稳定。所有这些功能，都是通过电子学控制系统来实现的。电子学控制系统来实现的。实验操作与进行：实验操作与进行：n一一.针尖的制作：针尖的制作：n二二.针尖的安装：针尖的安装：n三三.实验设置：扫描模式、扫描范围、隧道电实验设置：扫描模式、扫描范围、隧道电流、偏置电压、反馈电压、放大、增益。流、偏置电压、反馈电压、放大、增益。n四四.逼近隧道区（隧道电流

18、）逼近隧道区（隧道电流）n五五.扫描：观察图象、调整电流、偏压等。扫描：观察图象、调整电流、偏压等。电子结构和电子结构和STM像像uSTM通常被认为是测量表面原子结构的工具，具通常被认为是测量表面原子结构的工具，具直接测量原子间距的分辨率。直接测量原子间距的分辨率。u但必须考虑电子结构的影响，否则容易产生错误但必须考虑电子结构的影响，否则容易产生错误的信息。的信息。u其实，在考虑了遂穿过程以及样品表面与针尖的其实，在考虑了遂穿过程以及样品表面与针尖的电子态的性质后，电子态的性质后，STM代表的应该是表面的局部代表的应该是表面的局部电子结构和遂穿势垒的空间变化。电子结构和遂穿势垒的空间变化。ST

19、M应用应用u金属和半导体表面的金属和半导体表面的STM研究：研究：u研究表面上发生的物理与化学过程。研究表面上发生的物理与化学过程。u物理现象：晶体生长过程、表面物质沉积过程。物理现象：晶体生长过程、表面物质沉积过程。u表面化学反应。表面化学反应。STM图像的解释图像的解释nSTM图像反映样品表面局图像反映样品表面局域电子结构和隧穿势垒的域电子结构和隧穿势垒的空间变化，与表面原子核空间变化，与表面原子核的位置没有直接关系，并的位置没有直接关系，并不能将观察到的表面高低不能将观察到的表面高低起伏简单归纳为原子排布起伏简单归纳为原子排布结构；结构；n针尖电子态的影响针尖电子态的影响 STM图像是针

20、尖电子态与图像是针尖电子态与样品表面局域电子态的卷样品表面局域电子态的卷积；积；组成碳纤维的带状细纤维有螺旋结构的趋向，螺旋伸展方向沿纤维轴向。组成碳纤维的带状细纤维有螺旋结构的趋向，螺旋伸展方向沿纤维轴向。经电化学腐蚀以后，碳纤维变得较粗糙，同时在纤维中仍发现有螺旋结经电化学腐蚀以后，碳纤维变得较粗糙，同时在纤维中仍发现有螺旋结构的细纤维。可见，这种螺旋结构在碳纤维的表面和内部都存在。构的细纤维。可见，这种螺旋结构在碳纤维的表面和内部都存在。 在在HOPG基底上基底上CPU聚合物膜在室温大气中的聚合物膜在室温大气中的STM图像。可看到图像。可看到58个棒状分子连在一起形成聚合分子链，这些聚合

21、分子链在个棒状分子连在一起形成聚合分子链，这些聚合分子链在X方向上首尾相压呈周期性排列。方向上首尾相压呈周期性排列。AB样品表面的高度呈锯齿形。样品表面的高度呈锯齿形。 扫描范围为扫描范围为42 42，Vb = 87mV，It = 0.53nA STM像像电迁移过程中的表面扩散电迁移过程中的表面扩散361m 1m光栅表面形貌的三维立体图光栅表面形貌的三维立体图37金团簇（溅射薄膜）表面形貌三维立体图金团簇（溅射薄膜）表面形貌三维立体图38高序石墨样品的表面原子排列图高序石墨样品的表面原子排列图39Si(111)-77重构表面的真空重构表面的真空STM图象图象40砷化镓砷化镓GaAs表面的真空表

22、面的真空STM图象图象STM manipulationFe原子在原子在Cu基板上原子像基板上原子像原子原子 / 分子分子 搬运搬运Cu on Cu(111) Ag on Ag(111) Year 2000 -CO on Cu(211)中国科学院化学研究所的科技人员利用自制的扫描隧道显微镜，在中国科学院化学研究所的科技人员利用自制的扫描隧道显微镜，在石墨表面上刻蚀出来的图象。图形的线宽实际上只有石墨表面上刻蚀出来的图象。图形的线宽实际上只有10nm10nm。44Fe on Cu (111)45Si (111) surface upon irradiationby 3keV Ar+ at a do

23、se of 3X1012ions/cm2.(20X20nm2)Si (111) surface irradiated by5keV Xe+ at a dose of 1.5X1013ions/cm2. (40X40nm2)Missing and displacing atomsCraters SizeIon EnergySTM images of Si(111) surfaces irradiated with Xe ions at: (a) 1keV, (b) 3keVand (c) 5keV.The average size of the trace does not depend on

24、the ion energy ranging from1 to 5 keV.46abc47Annealed Si(111) surface after Xe ion irradiation. (3keV, 1.2X1012 ions/cm2,annealed for 30 min).400C, vacancies in subsurface diffuse toward the surface.600C, vacancy clusters are formed.Diffusion of VacanciesDiffusion of interstitialsSame area, 650C, Xe

25、+, 1keV.Interstitial atoms diffuse and recombine with surface vacancies.the size of the vacancy cluster decreases with annealing time.For the case (3keV Ar+, 3X1012 ion/cm2), annealing at 750C for 2min, Si surface was restored for the irradiated Si(111) surface.2min16minDiffusion of vacancies and in

26、terstitialsCrater Size shrinkage and expansion460C, 3keV Ar+, 1012ions/cm2. (10nmX15nm)426s70s35s105s44s123s50Graphite (highly oriented pyrolytic, HOPG)51HOPG52Track diameter & formation efficiencytrack diametertrack formation efficiency53STM Topograph of Quantum DotGe pyramid containing2000 Ge atom

27、s on Si(100)Ge dome grown by PVDon Si(100)54STM Images of Ni Clusters at DifferentSample Bias VoltagesNi3 on MoS255Growth of Lead on Copper56Chemical ContrastPtCo(100) surface57Segregation58Non-metals-Salt59Dislocations60Crystallography of Iron Films61Adsorption-AlO2 on aluminum surface62Adsorption-

28、AgPdoxygen on a silver-palladium (AgPd) alloy surfaceSTM的局限性与发展的局限性与发展n1.在恒电流模式下，样品表面微粒之间的沟槽不能在恒电流模式下，样品表面微粒之间的沟槽不能够准确探测。恒高模式下，需采用非常尖锐的探针。够准确探测。恒高模式下，需采用非常尖锐的探针。n2.样品必须具有一定程度的导电性。样品必须具有一定程度的导电性。STM基础上发展的各种新型显微镜基础上发展的各种新型显微镜n原子力显微镜（原子力显微镜（AFM）、）、激光力显微镜（激光力显微镜（LFM）、摩）、摩擦力显微镜、磁力显微镜（擦力显微镜、磁力显微镜（MFM）、静电力

29、显微镜、）、静电力显微镜、扫描热显微镜、弹道电子发射显微镜（扫描热显微镜、弹道电子发射显微镜（BEEM）、扫描）、扫描隧道电位仪（隧道电位仪（STP）、扫描离子电导显微镜（）、扫描离子电导显微镜（SICM）、）、扫描近场光学显微镜（扫描近场光学显微镜（SNOM）和扫描超声显微镜等。）和扫描超声显微镜等。n探索物质表面或界面的特性，如表面不同部位的磁场、探索物质表面或界面的特性，如表面不同部位的磁场、静电场、热量损失、离子流量、表面摩擦力以及在扩大静电场、热量损失、离子流量、表面摩擦力以及在扩大可测量样品的范围等方面提供了有力的工具。可测量样品的范围等方面提供了有力的工具。 原子力显微镜原子力显

30、微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)原子力显微镜原子力显微镜AFMu原子力显微镜原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM) u1986年，诺贝尔奖金获得者宾尼等人发明。年，诺贝尔奖金获得者宾尼等人发明。u不仅可观察导体和半导体表面形貌，不仅可观察导体和半导体表面形貌，且可观察非导体表面形且可观察非导体表面形貌貌，弥补，弥补STM只能观察导体和半导体不足。只能观察导体和半导体不足。u许多实用的材料或感光的样品不导电，许多实用的材料或感光的样品不导电，AFM出现引起科学界出现引起科学界普遍重视。普遍重视。u第一台第一台AFM的横向分辨率仅为

31、的横向分辨率仅为30 ，而，而1987年斯坦福大学年斯坦福大学Quate等报道他们的等报道他们的AFM达到原子级分辨率。达到原子级分辨率。u中国科学院化学所研制的隧道电流法检测、微悬臂运动中国科学院化学所研制的隧道电流法检测、微悬臂运动AFM于于1988年底首次达到原子级分辨率。年底首次达到原子级分辨率。原子力显微镜原子力显微镜AFMn跟所有的扫描探针显微镜一样，跟所有的扫描探针显微镜一样，AFM使用一个极细的探针在使用一个极细的探针在样品表面进行扫描，样品表面进行扫描，探针是位探针是位于一悬臂的末端顶部，于一悬臂的末端顶部，该悬臂该悬臂可对针尖和样品间的作用力作可对针尖和样品间的作用力作出反

32、应。出反应。 nAFM与与STM最大差别在非利最大差别在非利用电子隧道效应，而利用原子用电子隧道效应，而利用原子之间的范德华力作用来呈现样之间的范德华力作用来呈现样品表面特性。品表面特性。AFM的优点的优点 STM 的探针是由针尖与样品之间的隧道电流的的探针是由针尖与样品之间的隧道电流的变化决定的，变化决定的，STM要求样品表面能够导电，只能直要求样品表面能够导电，只能直接观察导体和半导体的表面结构。接观察导体和半导体的表面结构。 对于非导电的物对于非导电的物质则要求样品覆盖一层导电薄膜，质则要求样品覆盖一层导电薄膜，但导电薄膜的粒度但导电薄膜的粒度和均匀性难以保证，和均匀性难以保证，且掩盖了

33、物质表面的细节。且掩盖了物质表面的细节。 原子力显微镜利用原子之间的范德华力来呈现样原子力显微镜利用原子之间的范德华力来呈现样品的表面特性。因此，品的表面特性。因此，AFM 除导电样品外，还能够除导电样品外，还能够观测观测非导电样品非导电样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆的表面结构，且不需要用导电薄膜覆盖，其应用领域将更为广阔。盖，其应用领域将更为广阔。v1.原子级的高分辨率原子级的高分辨率AFM的三大特点的三大特点光学显微镜的放大倍数一般都超不过光学显微镜的放大倍数一般都超不过1000倍倍;电子电子显微镜的放大倍数极限为显微镜的放大倍数极限为200万倍万倍;而而AFM的放大倍数能高达的放大

34、倍数能高达10亿倍亿倍,v2.观察活的生命样品观察活的生命样品 电子显微镜的样品必须进行电子显微镜的样品必须进行固定、脱水、包埋、固定、脱水、包埋、切片、染色切片、染色等一系列处理，因此电子显微镜只能观等一系列处理，因此电子显微镜只能观察死的细胞或组织的微观结构察死的细胞或组织的微观结构; 原子力显微镜的样本可以是生理状态的各种物质，原子力显微镜的样本可以是生理状态的各种物质，在大气条件或溶液中都能进行，因而只需很少或不在大气条件或溶液中都能进行，因而只需很少或不需对样品作前期处理，这样，就使需对样品作前期处理，这样，就使AFM能观察任何能观察任何活的生命样品及动态过程。活的生命样品及动态过程

35、。v3.加工样品的力行为加工样品的力行为 测试样品的硬度和弹性等；测试样品的硬度和弹性等；AFM还能产生和测还能产生和测量电化学反应。量电化学反应。AFM还具有对标本的分子或原子进还具有对标本的分子或原子进行加工的力行为，例如：可搬移原子，切割染色体，行加工的力行为，例如：可搬移原子，切割染色体，在细胞膜上打孔等等。在细胞膜上打孔等等。原子与原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离原子与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。的不同而有所不同，其之间的能量表示也会不同。 作用力与距离的关系作用力与距离的关系 为原子的直径为原子的直径为原子之间的距离为原子

36、之间的距离 兰纳兰纳-琼斯琼斯（Lennard Jones ）公式）公式 当当r降低到某程度时能量为降低到某程度时能量为E，代表空间中两原子相当接近且，代表空间中两原子相当接近且能量为正，若假设能量为正，若假设r增加到某一程度时，其能量就会为增加到某一程度时，其能量就会为E 同时同时说明空间中两个原子之距离相当远的且能量为负值。说明空间中两个原子之距离相当远的且能量为负值。在原子力显微镜（在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用）的系统中，使用微小悬臂来感测针尖微小悬臂来感测针尖与样品之间的交互作用与样品之间的交互作用，这作用力会使悬臂摆动，利用激光将，这作用力会使悬臂摆动，利用激光将光照射在悬

37、臂的末端，当摆动形成时，会使反射光的位置改变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，此时而造成偏移量，此时激光检测器会记录此偏移量激光检测器会记录此偏移量，也会把此时，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。的表面特性以影像的方式给呈现出来。n接触模接触模式式 (contact mode) n非非接触模接触模式式 (non-contact mode)n轻敲模轻敲模式式 (tapping / intermittent contact mode) force

38、curve工作模式工作模式 针尖始终向样品接触并简单地在表面上移动，针尖针尖始终向样品接触并简单地在表面上移动，针尖样品间样品间的相互作用力是互相接触原于的电子间存在的的相互作用力是互相接触原于的电子间存在的库仑排斥力库仑排斥力，其，其大小通常为大小通常为108 1011N。force curve工作模式接触模式工作模式接触模式d .nm l优点：可产生稳定、高分辨图像。优点：可产生稳定、高分辨图像。l缺点：缺点： 可能使样品产生相当大的变形，对柔软可能使样品产生相当大的变形，对柔软的样品造成破坏，以及破坏探针，严重影的样品造成破坏，以及破坏探针，严重影响响AFM成像质量。成像质量。工作模式工

39、作模式-接触模式接触模式 相互作用力是范德华吸引力，远小于排斥力相互作用力是范德华吸引力，远小于排斥力. force curved: 520nm振幅：振幅：2nm5nm工作模式工作模式-非接触模式非接触模式范德华吸引力范德华吸引力 微悬臂以共振频率振荡，通过控制微悬臂振幅恒定来获得微悬臂以共振频率振荡，通过控制微悬臂振幅恒定来获得样品表面信息的。样品表面信息的。 优点：对样品无损伤优点：对样品无损伤 缺点：缺点： 1）分辨率要比接触式的低。）分辨率要比接触式的低。 2）气体的表面压吸附到样品表面，造成图像）气体的表面压吸附到样品表面，造成图像 数据不稳定和对样品的破坏。数据不稳定和对样品的破坏

40、。 工作模式工作模式-非接触模式非接触模式 介于接触模式和非接触模式之间介于接触模式和非接触模式之间: 其特点是扫描过程中微悬臂也是振荡的并具有比非接触模式其特点是扫描过程中微悬臂也是振荡的并具有比非接触模式更大的振幅更大的振幅(5100nm)，针尖在振荡时间断地与样品接触。，针尖在振荡时间断地与样品接触。 force curve振幅：振幅：5nm 100nm工作模式工作模式-轻敲模式轻敲模式 特点：特点： 1 1）分辨率几乎同接触模式一样好；）分辨率几乎同接触模式一样好； 2 2）接触非常短暂，因此剪切力引起的对）接触非常短暂，因此剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失；样品的破坏几乎完全消失

41、；工作模式工作模式-轻敲模式轻敲模式AFM的硬件架构：的硬件架构： 原子力显微镜原子力显微镜(AFM)系统结构系统结构 分三部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统分三部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。 力检测部分：力检测部分： 在在AFM系统中，所要检系统中，所要检测的力是原子与原子之间测的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系的范德华力。所以在本系统中是使用微小悬臂统中是使用微小悬臂（cantilever）来检测原子）来检测原子之间力的变化量。这微小之间力的变化量。这微小悬臂有一定的规格，例如：悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这

42、些规及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品的特格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。而选择不同类型的探针。cantilever tip：10nmlaser Cantilever： 100200m piezoyzxphotodiode 一般探针由一般探针由Si或或Si3N4制备。表面镀制备。表面镀10-50nm厚的厚的Pt，Cr， Ti， Ir等金属制成导电探针；等金属制成导电探针；镀上镀上Co，Fe等铁磁性等铁磁性层即制成磁性探针；此层即制成磁性探针；此外，还有类金刚石和全外，还有类金刚石和全金刚石探针。金刚石探针。位置检测部分：位置检测

43、部分： 在在AFM系统中，当针尖与样品系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂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）摆动，所以当激光照射在在cantilever的末端时，其反射光的位的末端时，其反射光的位置也会因为置也会因为cantilever摆动而有所改变，摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统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信号，以供控移量记录下并转换成电信号，以供控制器作信号处理。制器作信号处理。laser photodiode piezo-e

44、lementproben 在原子力显微镜（在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由）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。保持样品与针尖保持合适的作用力。 反馈系统：反馈系统：n在原子力显微镜（在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用）的系统中，使用微小悬臂微小悬臂（cantilever）来感测针尖与样品之间的交互作用，测得作）来

45、感测针尖与样品之间的交互作用，测得作用力。这作用力会使用力。这作用力会使cantilever摆动，再利用激光将光照射摆动，再利用激光将光照射在在cantilever的末端，当摆动形成时，会使反射光的位置改的末端，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。后再将样品的表面特性以影像的方式给呈现出来。原子力显微镜（原子力显微镜（AFM）便是结合以上三个部分来将样品的表

46、）便是结合以上三个部分来将样品的表面特性呈现出来的：面特性呈现出来的：AFM的应用的应用nAFM可以在大气、真空、低温和高温、不同气氛可以在大气、真空、低温和高温、不同气氛以及溶液等各种环境下工作，且不受样品导电性以及溶液等各种环境下工作，且不受样品导电性质的限制，因此已获得比质的限制，因此已获得比STM更为广泛的应用。更为广泛的应用。主要用途：主要用途：n1. 导体、半导体和绝缘体表面的高分辨成像导体、半导体和绝缘体表面的高分辨成像n2. 生物样品、有机膜的高分辨成像生物样品、有机膜的高分辨成像n3. 表面化学反应研究表面化学反应研究n4. 纳米加工与操纵纳米加工与操纵n用用AFM观察观察D

47、NA双螺旋结构双螺旋结构v 生物和生命科学生物和生命科学用用AFM观察细胞生长观察细胞生长v 生物和生命科学生物和生命科学遭疟疾感染的人体红血球和蓝藻遭疟疾感染的人体红血球和蓝藻 用用AFM观察集成电路的线路刻蚀情况观察集成电路的线路刻蚀情况v 微电子科学和技术微电子科学和技术分选和搬运分选和搬运高分子领域的应用高分子领域的应用聚合物膜表面形貌与相分离观察聚合物膜表面形貌与相分离观察 Kajiyama等人应用等人应用AFM研究了单分散聚苯乙烯研究了单分散聚苯乙烯(PS)/聚聚甲基丙烯酸甲酯甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混成膜的相分离情况。共混成膜的相分离情况。 膜较厚时膜较厚时(25), 看不到分相。膜厚看不到分相。膜厚100n时时,可以得到可以得到PMMA呈岛状分布在呈岛状分布在PS中的中的AFM图象。图象。聚合物膜表面形貌与相分离观察聚合物膜表面形貌与相分离观察n对非晶态聚合物膜，形貌图信息较为有限。对非晶态聚合物膜，形貌图信息较为有限。AFM“相成像相成像”方式方式 (phase imaging)得到的数据与样品表面硬度和粘弹性有得到的数据与样品表面硬度和粘弹性有关，可以观