扫描探针显微镜

1、【 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

2、、 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 】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.Ro

3、hrer 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

4、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。扫描探针显微镜的基本结构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

5、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。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。. 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。. 驱进系统驱进调节机构主要用于粗调和

6、精细调节针尖和样品之间的距离。利用两个精密螺杆手动粗调，配合步进马达（可以手控也可计算机控制调节），先调节针尖和样品距离至一较小间距（毫米级），然后用计算机控制步进马达，使间距从毫米级缓慢降至纳米级（在有反馈的情形下），进入扫描状态。退出时反之。. 支架：支架主要用于固定驱进系统以及与减震系统的连接。电子学控制系统是仪器的控制部分，主要实现形貌扫描的各种预设的功能以及维持扫描状态的反馈控制系统。包括：. 前置放大器：安装在头部针尖块内；. 头部电路接口：安装在头部支座内；. 电子学控制箱：包括前面板、后面板和线路控制部分；. 马达驱动电路：安装在头部支座内，用于手动/计算机自动控制马达的进退，

7、即针尖脱离或趋进样品；AD/DA多功能卡：安装在电子控制机箱内。计算机软件系统：是人机交互操作的主要界面，完成实时的控制、数据的获取和处理，以及数据的分析处理和输出。扫描探针显微镜的工作模式之一- 扫描隧道显微镜的基本原理STM 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E 低于前方势垒的高度0V时，他不可能越过此势垒，即透射系数也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒，这个现象称为隧道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，隧道效应扫描隧道显微镜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（ 通常小于1nm） 时，在外加电场的作用下，由于隧道电流（

8、纳安级 ） 随距离而“”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）, 它能直接观恒电流模式。如图（a） 所示， x、 y 方向进行扫描，在z 方向加上电子反馈系统，初始隧道电流为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就向后退；反之，样品表面凹进时，反馈系统就使针尖向前移动，以控制隧道电流的恒定。将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在记录纸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。恒高度模式。如图

9、（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。扫描探针显微镜的特点（ 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。扫描探针显微镜的优势1、扫描探针显微镜具有极高的分辨率。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。2、扫描探针显微镜得到的是实时的、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，扫描探针显微镜是真正看到了原子。3、扫描探针显微镜的使用环境宽松。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。而扫描探针显微镜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