扫描探针显微镜课件

扫描探针显微镜

（ScanningProbeMicroscope，SPM）刘东扫描探针显微镜刘东显微镜发展历史第一代：光学显微镜(1676)第二代：电子显微镜(1938)

第三代：扫描探针显微镜SPM（1982）显微镜发展历史第一代：光学显微镜(1676)扫描探针显微镜

SPM(ScanningProbeMicroscope)是扫描隧道显微镜STM及原子力显微镜AFM，激光力显微镜LFM，磁力显微镜MFM等的统称，国际上近年发展起来的表面分析仪器。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。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）。扫描探针显微镜SPM(ScanningProbeMicSPM的特点

原子级高分辨率；实空间中表面的三维图像；观察单个原子层的局部表面结构;可在真空、大气、常温等不同环境下工作;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。SPM的特点原子级高分辨率；SPM分类

名称检测信号分辨率备注扫描探针显微镜SPM扫描隧道显微镜STM探针-样品间的隧道电流0.1nm（原子级分辨率）

原子力显微镜AFM探针－样品间的原子作用力统称扫描力显微镜SFM横向力显微镜LFM探针－样品间相对运动横向作用力磁力显微镜MFM磁性探针－样品间的磁力10nm静电力显微镜EFM带电荷探针－带电样品间静电力1nm近场光学显微镜SNOM光探针接收到样品近场的光辐射100nm

SPM分类

名称检测信号分辨率备注扫扫描隧道显微镜STM探针扫描隧道显微镜

(scanningtunnelingmicroscope)扫描隧道显微镜

(scanningtunnelingm扫描隧道显微镜(scanningtunnelingmicroscope)1982年，GerdBinning及其合作者在IBM公司苏黎世实验室共同研制成功了第一台，因此获得1986年的诺贝尔物理奖。STM是通过检测隧道电流来反映样品表面形貌和结构的。扫描隧道显微镜STM扫描隧道显微镜(scanningtunnelingmic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、化学性质。在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研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就之一。扫描隧道显微镜STM出现的意义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GerdBinning(IBM)(1947-)HeinrichRohrer(Zurich)(1933-)GerdBinning(IBM)HeinrichRo

美国商用机器公司利用STM直接操作原子，成功地在Ni上，按自己的意志安排原子合成IBM

字样。美国商用机器公司利用STM直接操作原子，成功地在高分辨率，分辨率横向0.1nm、纵向0.01nm；可实时地得到在实空间中表面的三维图象；可观察单个原子层的局部表面结构；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mK到1100K范围，并且探测过程对样品无损伤；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，构造所需的纳米结构；配合扫描隧道谱STS可得到有关表面局域电子结构的信息。STM的优点高分辨率，分辨率横向0.1nm、纵向0.01nm；STM的优扫描隧道显微镜的原理结构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1mm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。扫描隧道显微镜的原理结构极细探针与研究物质作为两个探极。扫描对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零；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，这种现象称为隧道效应。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一极，几率和两极的间距成指数反比关系。1、隧道电流（1）隧道效应对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0扫描隧道显微镜（STM）的工作原理是基于量子力学的隧道效应。扫描隧道显微镜（STM）的工作原理是基于量子力学的隧道效应。扫描探针显微镜课件T与势垒宽度a、能量差（V0－E）以及粒子的质量m有着很敏感的依赖关系，随着a的增加，T将指数衰减，因此在宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势垒的现象。透射系数T与势垒宽度a、能量差（V0－E）以及粒子的质量m有着很敏感（2）隧道电流扫描隧道显微镜是将原子线度的探针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（通常小于1nm），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，从而形成隧道电流。因此，STM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。（2）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函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S和平均功函数Φ有关。Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，Φ[=(Φ1+Φ2)/2]是平均功函数,Φ1和Φ2分别为针尖和样品的功函数，A为常数，在真空条件下约等于1。隧道电流I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由上式可知，隧道电流I对针尖和样品之间的距离S有着指数的依赖关系，距离S每减小0.1nm，隧道电流就增加一个数量级。如果利用电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STM的工作原理。由上式可知，隧道电流I对针尖和样品之间的距离S有着指数的依赖STM的工作原理示意图原子尺度针尖被分析样品样品与针尖间距STM的工作原理示意图原子尺度针尖被分析样品样品与针尖间距扫描探针显微镜课件扫描模式恒电流模式：适用于观察表面形貌起伏较大的样品。恒高度模式：扫描速度快，减少噪音等，不能用于观察表面起伏大于1nm的样品。（a）恒电流模式；（b）恒高度模式扫描模式恒电流模式：适用于观察表面形貌起伏较大的样品。（a）STM的仪器构造STMInstrumentationSTM由具有减振系统的头部(含探针和样品台)、电子学控制系统和包括A/D多功能卡的计算机组成。•••••TipScannerSamplepositionerVibrationisolationControlelectronics Pre-amplifier Feedback

Scancontrol•ComputerandsoftwareSTM的仪器构造STMInstrumentationSTM隧道针尖STM技术中的主要问题。针尖尺寸、形状及化学同一性不仅影响分辨率还关系电子结构测量。钨针尖的制备：电化学腐蚀方法铂铱合金针尖的制备：1）两步电化学腐蚀法；2）机械成形法；3）剪切法隧道针尖STM技术中的主要问题。针尖尺寸、形状及化学同一性不压电陶瓷步进马达扫描控制器压电现象：某种晶体机械力—形变——电场——x，y，z扫描控制器件。压电陶瓷材料：极化处理压电陶瓷步进马达扫描控制器压电现象：某种晶体机械力—形变——振动隔绝系统工作针尖与样品间距小于1nm，隧道电流与间距成指数关系。恒流模式中，表面起伏通常为0.01nm，振动引起小于0.001nm。STM减震系统设计主要考虑低频：1-100HZ防振：1.提高仪器的固有振动频率。

2.使用振动阻尼系统。振动隔绝系统工作针尖与样品间距小于1nm，隧道电流与间距成指电子学控制系统

STM要用计算机控制步进电机的驱动，使探针逼近样品，进入隧道区，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，都是通过电子学控制系统来实现的。电子学控制系统STM要用计算机控制步进电机的驱动实验操作与进行：一.针尖的制作：二.针尖的安装：三.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。四.逼近隧道区（隧道电流）五.扫描：观察图象、调整电流、偏压等。实验操作与进行：一.针尖的制作：电子结构和STM像STM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。但必须考虑电子结构的影响，否则容易产生错误的信息。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，STM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STM像STM通常被认为是测量表面原子结构的工具，STM应用金属和半导体表面的STM研究：研究表面上发生的物理与化学过程。物理现象：晶体生长过程、表面物质沉积过程。表面化学反应。STM应用金属和半导体表面的STM研究：STM图像的解释STM图像反映样品表面局域电子结构和隧穿势垒的空间变化，与表面原子核的位置没有直接关系，并不能将观察到的表面高低起伏简单归纳为原子排布结构；针尖电子态的影响

STM图像是针尖电子态与样品表面局域电子态的卷积；STM图像的解释STM图像反映样品表面局域电子结构和隧穿势垒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。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在HOPG基底上CPU聚合物膜在室温大气中的STM图像。可看到5—8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。AB样品表面的高度呈锯齿形。扫描范围为42Å×42Å，Vb=87mV，It=0.53nA在HOPG基底上CPU聚合物膜在室温大气中的STM图像。可看STM像STM像电迁移过程中的表面扩散电迁移过程中的表面扩散361μm×1μm光栅表面形貌的三维立体图361μm×1μm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37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38高序石墨样品的表面原子排列图39Si(111)-7×7重构表面的真空STM图象39Si(111)-7×7重构表面的真空STM图象40砷化镓GaAs表面的真空STM图象40砷化镓GaAs表面的真空STM图象STMmanipulationSTMmanipulationFe原子在Cu基板上原子像Fe原子在Cu基板上原子像原子/分子搬运CuonCu(111)

AgonAg(111)

Year2000----COonCu(211)原子/分子搬运CuonCu(111)Agon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10nm。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44FeonCu(111)44FeonCu(111)45Si(111)surfaceuponirradiationby3keVAr+atadoseof3X1012ions/cm2.(20X20nm2)Si(111)surfaceirradiatedby5keVXe+atadoseof1.5X1013ions/cm2.(40X40nm2)Missinganddisplacingatoms45Si(111)surfaceuponirradiCratersSize—IonEnergySTMimagesofSi(111)surfacesirradiatedwithXeionsat:(a)1keV,(b)3keVand(c)5keV.Theaveragesizeofthetracedoesnotdependontheionenergyrangingfrom1to5keV.

46abcCratersSize—IonEnergySTMima47AnnealedSi(111)surfaceafterXeionirradiation.(3keV,1.2X1012ions/cm2,annealedfor30min).400ºC,vacanciesinsubsurfacediffusetowardthesurface.600ºC,vacancyclustersareformed.DiffusionofVacancies47AnnealedSi(111)surfaceaftDiffusionofinterstitialsSamearea,650ºC,Xe+,1keV.Interstitialatomsdiffuseandrecombinewithsurfacevacancies.thesizeofthevacancyclusterdecreaseswithannealingtime.Forthecase(3keVAr+,3X1012ion/cm2),annealingat750ºCfor2min,SisurfacewasrestoredfortheirradiatedSi(111)surface.

2min16minDiffusionofinterstitialsSameDiffusionofvacanciesandinterstitials——CraterSizeshrinkageandexpansion460ºC,3keVAr+,1012ions/cm2.(10nmX15nm)[4]26s70s

35s105s44s123sDiffusionofvacanciesandint50Graphite(highlyorientedpyrolytic,HOPG)50Graphite(highlyorientedpy51HOPG51HOPG52Trackdiameter&formationefficiencytrackdiametertrackformationefficiency52Trackdiameter&formatione53STMTopographofQuantumDotGepyramidcontaining~2000GeatomsonSi(100)GedomegrownbyPVDonSi(100)53STMTopographofQuantumDot54STMImagesofNiClustersatDifferentSampleBiasVoltagesNi3onMoS254STMImagesofNiClustersat55GrowthofLeadonCopper55GrowthofLeadonCopper56ChemicalContrastPtCo(100)surface56ChemicalContrastPtCo(100)s57Segregation57Segregation58Non-metals----Salt58Non-metals----Salt59Dislocations59Dislocations60CrystallographyofIronFilms60CrystallographyofIronFilm61Adsorption--AlO2onaluminumsurface61Adsorption--AlO2onaluminum62Adsorption--AgPdoxygenonasilver-palladium(AgPd)alloysurface62Adsorption--AgPdoxygenonaSTM的局限性与发展1.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。2.样品必须具有一定程度的导电性。STM的局限性与发展1.在恒电流模式下，样品表面微粒之间的沟STM基础上发展的各种新型显微镜原子力显微镜（AFM）、激光力显微镜（LFM）、摩擦力显微镜、磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜、扫描热显微镜、弹道电子发射显微镜（BEEM）、扫描隧道电位仪（STP）、扫描离子电导显微镜（SICM）、扫描近场光学显微镜（SNOM）和扫描超声显微镜等。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可测量样品的范围等方面提供了有力的工具。STM基础上发展的各种新型显微镜原子力显微镜（AFM）、激光原子力显微镜(AtomicForceMicroscopy,AFM)原子力显微镜原子力显微镜AFM原子力显微镜(AtomicForceMicroscopy,AFM)1986年，诺贝尔奖金获得者宾尼等人发明。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貌，弥补STM只能观察导体和半导体不足。许多实用的材料或感光的样品不导电，AFM出现引起科学界普遍重视。第一台AFM的横向分辨率仅为30Å，而1987年斯坦福大学Quate等报道他们的AFM达到原子级分辨率。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1988年底首次达到原子级分辨率。原子力显微镜AFM原子力显微镜(AtomicForceM原子力显微镜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与STM最大差别在非利用电子隧道效应，而利用原子之间的范德华力作用来呈现样品表面特性。原子力显微镜AFM跟所有的扫描探针显微镜一样，AFM使用一个AFM的优点STM的探针是由针尖与样品之间的隧道电流的变化决定的，STM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。对于非导电的物质则要求样品覆盖一层导电薄膜，但导电薄膜的粒度和均匀性难以保证，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品的表面特性。因此，AFM除导电样品外，还能够观测非导电样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆盖，其应用领域将更为广阔。AFM的优点STM的探针是由针尖与样品之间的1.原子级的高分辨率AFM的三大特点光学显微镜的放大倍数一般都超不过1000倍;电子显微镜的放大倍数极限为200万倍;而AFM的放大倍数能高达10亿倍,1.原子级的高分辨率AFM的三大特点光学显微镜的放大倍数一般2.观察活的生命样品

电子显微镜的样品必须进行固定、脱水、包埋、切片、染色等一系列处理，因此电子显微镜只能观察死的细胞或组织的微观结构;

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，因而只需很少或不需对样品作前期处理，这样，就使AFM能观察任何活的生命样品及动态过程。2.观察活的生命样品电子显微镜的样品必须进行固定、3.加工样品的力行为

测试样品的硬度和弹性等；AFM还能产生和测量电化学反应。AFM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，在细胞膜上打孔等等。3.加工样品的力行为测试样品的硬度和弹性等；AFM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。作用力与距离的关系

原子与原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离

的不同而有所不为原子的直径为原子之间的距离

兰纳-琼斯（Lennard–Jones）公式当r降低到某程度时能量为＋E，代表空间中两原子相当接近且能量为正，若假设r增加到某一程度时，其能量就会为－E同时说明空间中两个原子之距离相当远的且能量为负值。为原子的直径为原子之间的距离兰纳-琼斯（Lennard–在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微小悬臂来感测针尖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。在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微小悬臂来感测针尖与样接触模式(contactmode)非接触模式(non-contactmode)轻敲模式(tapping/intermittentcontactmode)forcecurve工作模式接触模式(contactmode)forcecurv

针尖始终向样品接触并简单地在表面上移动，针尖—样品间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，其大小通常为10－8—10－11N。forcecurve工作模式－接触模式d＜０.０３nm针尖始终向样品接触并简单地在表面上移动，针尖—样品间优点：可产生稳定、高分辨图像。缺点：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，严重影响AFM成像质量。工作模式-接触模式工作模式-接触模式

相互作用力是范德华吸引力，远小于排斥力.

forcecurved:5~20nm振幅：2nm～5nm工作模式-非接触模式范德华吸引力

微悬臂以共振频率振荡，通过控制微悬臂振幅恒定来获得样品表面信息的。

forcecurved:5~20nm工作模式-非接触模式

优点：对样品无损伤

缺点：

1）分辨率要比接触式的低。

2）气体的表面压吸附到样品表面，造成图像数据不稳定和对样品的破坏。

工作模式-非接触模式优点：对样品无损伤工作模式-非接触模式

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更大的振幅(5~100nm)，针尖在振荡时间断地与样品接触。

forcecurve振幅：5nm～100nm工作模式-轻敲模式介于接触模式和非接触模式之间:forcecu

特点：

1）分辨率几乎同接触模式一样好；

2）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；工作模式-轻敲模式特点：工作模式-轻敲模式AFM的硬件架构：

原子力显微镜(AFM)系统结构

分三部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。AFM的硬件架构：原子力显微镜(AFM)系统结构分三部分力检测部分：在AFM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。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。cantilevertip：Φ<10nmlaserCantilever：100—200µm

piezoyzxphotodiode

一般探针由Si或Si3N4制备。表面镀10-50nm厚的Pt，Cr，Ti，Ir等金属制成导电探针；镀上Co，Fe等铁磁性层即制成磁性探针；此外，还有类金刚石和全金刚石探针。力检测部分：cantilevertip：Φ<10nmlas位置检测部分：在AFM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信号，以供控制器作信号处理。laser

photodiodepiezo-elementprobe位置检测部分：laserphotodiodepiezo-

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合适的作用力。

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交互作用，测得作用力。这作用力会使cantilever摆动，再利用激光将光照射在cantilever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。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（cantilAFM的应用AFM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，且不受样品导电性质的限制，因此已获得比STM更为广泛的应用。主要用途：1.导体、半导体和绝缘体表面的高分辨成像2.生物样品、有机膜的高分辨成像3.表面化学反应研究4.纳米加工与操纵………………AFM的应用AFM可以在大气、真空、低温和高温、不同气氛以及用AFM观察DNA双螺旋结构

生物和生命科学用AFM观察DNA双螺旋结构生物和生命科学用AFM观察细胞生长

生物和生命科学用AFM观察细胞生长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AFM观察集成电路的线路刻蚀情况

微电子科学和技术用AFM观察集成电路的线路刻蚀情况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

Kajiyama等人应用AFM研究了单分散聚苯乙烯(PS)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混成膜的相分离情况。膜较厚时(25μｍ),看不到分相。膜厚100nｍ时,可以得到PMMA呈岛状分布在PS中的AFM图象。聚合物膜表面形貌与相分离观察Kajiyama等人应用聚合物膜表面形貌与相分离观察对非晶态聚合物膜，形貌图信息较为有限。AFM“相成像”方式(phaseimaging)得到的数据与样品表面硬度和粘弹性有关，可以观察相分离。即使在样品表面相对“平坦”的情况下，也能较好地反映出聚合物的相分离后，不同类型聚合物的所在区域。聚合物膜表面形貌与相分离观察对非晶态聚合物膜，形貌图信息较为高分子结晶形态观察高分子结晶形态观察聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物的苯溶液在ＬＢ膜槽内分散,而后在极低的表面压下(<0.1ｍＮ/ｍ)将分子沉积在新鲜云母表面。非晶态单链高分子结构观察聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物的苯溶液在ＬＢ膜槽内分散扫描探针显微镜课件AFM在膜研究中的应用1表面整体形态研究2孔径(分布),粒度（分布）研究3粗糙度研究AFM在膜研究中的应用1表面整体形态研究2孔径(分布),1表面整体形态研究1表面整体形态研究二氧化锡薄膜二氧化锡薄膜Three-dimensionalTM-AFMimagesofthePVDFmembranes(W0,W3,W5,W7).不同水含量Three-dimensionalTM-AFMimageAFMimageofporousAl2O3template

SEMimageofporousAl2O3template

AFMimageofporousAl2O3temp2孔径(分布)，粒度（分布）研究2孔径(分布)，粒度（分布）研究SectionanalysisofTM-AFMimage.SectionanalysisofTM-AFMimaTappingmodeatomicforcemicrographsTappingmodeatomicforcemicr扫描探针显微镜课件3粗糙度研究

粗糙度（Surfaceroughness）表示膜表面形态间的差异，影响着膜的物理和化学性能、膜表面的污染程度和膜的水通量。3粗糙度研究粗糙度（Surfaceroughness）

膜污染研究-超滤膜或微滤膜

新膜表面三维图X—1μm/格;Z—50nm/格

污染膜表面三维图X—1μm/格;Z—2000nm/格膜污染研究-超滤膜或微滤膜新膜表面三维图扫描探针显微镜课件扫描探针显微镜课件制样之关键涂膜的厚度溶液的浓度成膜的条件与基体材料的结合（云母/玻片/石墨片）膜的干燥制样之关键涂膜的厚度AFM以分辨率高、制样要求简单、得到的样品表面信息丰富的特点在各领域得到了越来越广泛的应用。AFM以分辨率高、制样要求简单、得到的样品表面信息丰如何提高显微镜分辨本领，电子透镜的分辨本领受哪些条件的限制？透射电镜、扫描电子显微镜的工作原理什什么？相对光学显微镜和透射电子显微镜、扫描电镜各有哪些优点？电子探针X射线显微分析仪有哪些工作模式，能谱仪和谱仪的特点是什么？为什么透射电镜的样品要求非常薄，而扫描电镜无此要求？电镜有哪些性质，环境扫描电镜中“环境”指什么？高分辨电镜是否指分辨率高的电镜？选用电子显微分析仪时应从哪几方面考虑？电子探针仪与X射线谱仪从工作原理和应用上有哪些区别？与X射线衍射相比，（尤其透射电镜中的）电子衍射的特点是什么？简述STM与AFM工作原理？如何提高显微镜分辨本领，电子透镜的分辨本领受哪些条件的限制？THANKSTHANKS扫描探针显微镜

（ScanningProbeMicroscope，SPM）刘东扫描探针显微镜刘东显微镜发展历史第一代：光学显微镜(1676)第二代：电子显微镜(1938)

第三代：扫描探针显微镜SPM（1982）显微镜发展历史第一代：光学显微镜(1676)扫描探针显微镜

SPM(ScanningProbeMicroscope)是扫描隧道显微镜STM及原子力显微镜AFM，激光力显微镜LFM，磁力显微镜MFM等的统称，国际上近年发展起来的表面分析仪器。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。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）。扫描探针显微镜SPM(ScanningProbeMicSPM的特点

原子级高分辨率；实空间中表面的三维图像；观察单个原子层的局部表面结构;可在真空、大气、常温等不同环境下工作;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。SPM的特点原子级高分辨率；SPM分类

名称检测信号分辨率备注扫描探针显微镜SPM扫描隧道显微镜STM探针-样品间的隧道电流0.1nm（原子级分辨率）

原子力显微镜AFM探针－样品间的原子作用力统称扫描力显微镜SFM横向力显微镜LFM探针－样品间相对运动横向作用力磁力显微镜MFM磁性探针－样品间的磁力10nm静电力显微镜EFM带电荷探针－带电样品间静电力1nm近场光学显微镜SNOM光探针接收到样品近场的光辐射100nm

SPM分类

名称检测信号分辨率备注扫扫描隧道显微镜STM探针扫描隧道显微镜

(scanningtunnelingmicroscope)扫描隧道显微镜

(scanningtunnelingm扫描隧道显微镜(scanningtunnelingmicroscope)1982年，GerdBinning及其合作者在IBM公司苏黎世实验室共同研制成功了第一台，因此获得1986年的诺贝尔物理奖。STM是通过检测隧道电流来反映样品表面形貌和结构的。扫描隧道显微镜STM扫描隧道显微镜(scanningtunnelingmic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、化学性质。在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研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就之一。扫描隧道显微镜STM出现的意义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GerdBinning(IBM)(1947-)HeinrichRohrer(Zurich)(1933-)GerdBinning(IBM)HeinrichRo

美国商用机器公司利用STM直接操作原子，成功地在Ni上，按自己的意志安排原子合成IBM

字样。美国商用机器公司利用STM直接操作原子，成功地在高分辨率，分辨率横向0.1nm、纵向0.01nm；可实时地得到在实空间中表面的三维图象；可观察单个原子层的局部表面结构；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mK到1100K范围，并且探测过程对样品无损伤；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，构造所需的纳米结构；配合扫描隧道谱STS可得到有关表面局域电子结构的信息。STM的优点高分辨率，分辨率横向0.1nm、纵向0.01nm；STM的优扫描隧道显微镜的原理结构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1mm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。扫描隧道显微镜的原理结构极细探针与研究物质作为两个探极。扫描对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零；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，这种现象称为隧道效应。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一极，几率和两极的间距成指数反比关系。1、隧道电流（1）隧道效应对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0扫描隧道显微镜（STM）的工作原理是基于量子力学的隧道效应。扫描隧道显微镜（STM）的工作原理是基于量子力学的隧道效应。扫描探针显微镜课件T与势垒宽度a、能量差（V0－E）以及粒子的质量m有着很敏感的依赖关系，随着a的增加，T将指数衰减，因此在宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势垒的现象。透射系数T与势垒宽度a、能量差（V0－E）以及粒子的质量m有着很敏感（2）隧道电流扫描隧道显微镜是将原子线度的探针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（通常小于1nm），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，从而形成隧道电流。因此，STM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。（2）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函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S和平均功函数Φ有关。Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，Φ[=(Φ1+Φ2)/2]是平均功函数,Φ1和Φ2分别为针尖和样品的功函数，A为常数，在真空条件下约等于1。隧道电流I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由上式可知，隧道电流I对针尖和样品之间的距离S有着指数的依赖关系，距离S每减小0.1nm，隧道电流就增加一个数量级。如果利用电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STM的工作原理。由上式可知，隧道电流I对针尖和样品之间的距离S有着指数的依赖STM的工作原理示意图原子尺度针尖被分析样品样品与针尖间距STM的工作原理示意图原子尺度针尖被分析样品样品与针尖间距扫描探针显微镜课件扫描模式恒电流模式：适用于观察表面形貌起伏较大的样品。恒高度模式：扫描速度快，减少噪音等，不能用于观察表面起伏大于1nm的样品。（a）恒电流模式；（b）恒高度模式扫描模式恒电流模式：适用于观察表面形貌起伏较大的样品。（a）STM的仪器构造STMInstrumentationSTM由具有减振系统的头部(含探针和样品台)、电子学控制系统和包括A/D多功能卡的计算机组成。•••••TipScannerSamplepositionerVibrationisolationControlelectronics Pre-amplifier Feedback

Scancontrol•ComputerandsoftwareSTM的仪器构造STMInstrumentationSTM隧道针尖STM技术中的主要问题。针尖尺寸、形状及化学同一性不仅影响分辨率还关系电子结构测量。钨针尖的制备：电化学腐蚀方法铂铱合金针尖的制备：1）两步电化学腐蚀法；2）机械成形法；3）剪切法隧道针尖STM技术中的主要问题。针尖尺寸、形状及化学同一性不压电陶瓷步进马达扫描控制器压电现象：某种晶体机械力—形变——电场——x，y，z扫描控制器件。压电陶瓷材料：极化处理压电陶瓷步进马达扫描控制器压电现象：某种晶体机械力—形变——振动隔绝系统工作针尖与样品间距小于1nm，隧道电流与间距成指数关系。恒流模式中，表面起伏通常为0.01nm，振动引起小于0.001nm。STM减震系统设计主要考虑低频：1-100HZ防振：1.提高仪器的固有振动频率。

2.使用振动阻尼系统。振动隔绝系统工作针尖与样品间距小于1nm，隧道电流与间距成指电子学控制系统

STM要用计算机控制步进电机的驱动，使探针逼近样品，进入隧道区，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，都是通过电子学控制系统来实现的。电子学控制系统STM要用计算机控制步进电机的驱动实验操作与进行：一.针尖的制作：二.针尖的安装：三.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。四.逼近隧道区（隧道电流）五.扫描：观察图象、调整电流、偏压等。实验操作与进行：一.针尖的制作：电子结构和STM像STM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。但必须考虑电子结构的影响，否则容易产生错误的信息。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，STM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STM像STM通常被认为是测量表面原子结构的工具，STM应用金属和半导体表面的STM研究：研究表面上发生的物理与化学过程。物理现象：晶体生长过程、表面物质沉积过程。表面化学反应。STM应用金属和半导体表面的STM研究：STM图像的解释STM图像反映样品表面局域电子结构和隧穿势垒的空间变化，与表面原子核的位置没有直接关系，并不能将观察到的表面高低起伏简单归纳为原子排布结构；针尖电子态的影响

STM图像是针尖电子态与样品表面局域电子态的卷积；STM图像的解释STM图像反映样品表面局域电子结构和隧穿势垒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。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在HOPG基底上CPU聚合物膜在室温大气中的STM图像。可看到5—8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。AB样品表面的高度呈锯齿形。扫描范围为42Å×42Å，Vb=87mV，It=0.53nA在HOPG基底上CPU聚合物膜在室温大气中的STM图像。可看STM像STM像电迁移过程中的表面扩散电迁移过程中的表面扩散361μm×1μm光栅表面形貌的三维立体图361μm×1μm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37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38高序石墨样品的表面原子排列图39Si(111)-7×7重构表面的真空STM图象39Si(111)-7×7重构表面的真空STM图象40砷化镓GaAs表面的真空STM图象40砷化镓GaAs表面的真空STM图象STMmanipulationSTMmanipulationFe原子在Cu基板上原子像Fe原子在Cu基板上原子像原子/分子搬运CuonCu(111)

AgonAg(111)

Year2000----COonCu(211)原子/分子搬运CuonCu(111)Agon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10nm。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44FeonCu(111)44FeonCu(111)45Si(111)surfaceuponirradiationby3keVAr+atadoseof3X1012ions/cm2.(20X20nm2)Si(111)surfaceirradiatedby5keVXe+atadoseof1.5X1013ions/cm2.(40X40nm2)Missinganddisplacingatoms45Si(111)surfaceuponirradiCratersSize—IonEnergySTMimagesofSi(111)surfacesirradiatedwithXeionsat:(a)1keV,(b)3keVand(c)5keV.Theaveragesizeofthetracedoesnotdependontheionenergyrangingfrom1to5keV.

46abcCratersSize—IonEnergySTMima47AnnealedSi(111)surfaceafterXeionirradiation.(3keV,1.2X1012ions/cm2,annealedfor30min).400ºC,vacanciesinsubsurfacediffusetowardthesurface.600ºC,vacancyclustersareformed.DiffusionofVacancies47AnnealedSi(111)surfaceaftDiffusionofinterstitialsSamearea,650ºC,Xe+,1keV.Interstitialatomsdiffuseandrecombinewithsurfacevacancies.thesizeofthevacancyclusterdecreaseswithannealingtime.Forthecase(3keVAr+,3X1012ion/cm2),annealingat750ºCfor2min,SisurfacewasrestoredfortheirradiatedSi(111)surface.

2min16minDiffusionofinterstitialsSameDiffusionofvacanciesandinterstitials——CraterSizeshrinkageandexpansion460ºC,3keVAr+,1012ions/cm2.(10nmX15nm)[4]26s70s

35s105s44s123sDiffusionofvacanciesandint50Graphite(highlyorientedpyrolytic,HOPG)50Graphite(highlyorientedpy51HOPG51HOPG52Trackdiameter&formationefficiencytrackdiametertrackformationefficiency52Trackdiameter&formatione53STMTopographofQuantumDotGepyramidcontaining~2000GeatomsonSi(100)GedomegrownbyPVDonSi(100)53STMTopographofQuantumDot54STMImagesofNiClustersatDifferentSampleBiasVoltagesNi3onMoS254STMImagesofNiClustersat55GrowthofLeadonCopper55GrowthofLeadonCopper56ChemicalContrastPtCo(100)surface56ChemicalContrastPtCo(100)s57Segregation57Segregation58Non-metals----Salt58Non-metals----Salt59Dislocations59Dislocations60CrystallographyofIronFilms60CrystallographyofIronFilm61Adsorption--AlO2onaluminumsurface61Adsorption--AlO2onaluminum62Adsorption--AgPdoxygenonasilver-palladium(AgPd)alloysurface62Adsorption--AgPdoxygenonaSTM的局限性与发展1.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。2.样品必须具有一定程度的导电性。STM的局限性与发展1.在恒电流模式下，样品表面微粒之间的沟STM基础上发展的各种新型显微镜原子力显微镜（AFM）、激光力显微镜（LFM）、摩擦力显微镜、磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜、扫描热显微镜、弹道电子发射显微镜（BEEM）、扫描隧道电位仪（STP）、扫描离子电导显微镜（SICM）、扫描近场光学显微镜（SNOM）和扫描超声显微镜等。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可测量样品的范围等方面提供了有力的工具。STM基础上发展的各种新型显微镜原子力显微镜（AFM）、激光原子力显微镜(AtomicForceMicroscopy,AFM)原子力显微镜原子力显微镜AFM原子力显微镜(AtomicForceMicroscopy,AFM)1986年，诺贝尔奖金获得者宾尼等人发明。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貌，弥补STM只能观察导体和半导体不足。许多实用的材料或感光的样品不导电，AFM出现引起科学界普遍重视。第一台AFM的横向分辨率仅为30Å，而1987年斯坦福大学Quate等报道他们的AFM达到原子级分辨率。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1988年底首次达到原子级分辨率。原子力显微镜AFM原子力显微镜(AtomicForceM原子力显微镜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与STM最大差别在非利用电子隧道效应，而利用原子之间的范德华力作用来呈现样品表面特性。原子力显微镜AFM跟所有的扫描探针显微镜一样，AFM使用一个AFM的优点STM的探针是由针尖与样品之间的隧道电流的变化决定的，STM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。对于非导电的物质则要求样品覆盖一层导电薄膜，但导电薄膜的粒度和均匀性难以保证，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品的表面特性。因此，AFM除导电样品外，还能够观测非导电样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆盖，其应用领域将更为广阔。AFM的优点STM的探针是由针尖与样品之间的1.原子级的高分辨率AFM的三大特点光学显微镜的放大倍数一般都超不过1000倍;电子显微镜的放大倍数极限为200万倍;而AFM的放大倍数能高达10亿倍,1.原子级的高分辨率AFM的三大特点光学显微镜的放大倍数一般2.观察活的生命样品

电子显微镜的样品必须进行固定、脱水、包埋、切片、染色等一系列处理，因此电子显微镜只能观察死的细胞或组织的微观结构;

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，因而只需很少或不需对样品作前期处理，这样，就使AFM能观察任何活的生命样品及动态过程。2.观察活的生命样品电子显微镜的样品必须进行固定、3.加工样品的力行为

测试样品的硬度和弹性等；AFM还能产生和测量电化学反应。AFM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，在细胞膜上打孔等等。3.加工样品的力行为测试样品的硬度和弹性等；AFM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。作用力与距离的关系

原子与原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离

的不同而有所不为原子的直径为原子之间的距离

兰纳-琼斯（Lennard–Jones）公式当r降低到某程度时能量为＋E，代表空间中两原子相当接近且能量为正，若假设r增加到某一程度时，其能量就会为－E同时说明空间中两个原子之距离相当远的且能量为负值。为原子的直径为原子之间的距离兰纳-琼斯（Lennard–在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微小悬臂来感测针尖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。在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微小悬臂来感测针尖与样接触模式(contactmode)非接触模式(non-contactmode)轻敲模式(tapping/intermittentcontactmode)forcecurve工作模式接触模式(contactmode)forcecurv

针尖始终向样品接触并简单地在表面上移动，针尖—样品间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，其大小通常为10－8—10－11N。forcecurve工作模式－接触模式d＜０.０３nm针尖始终向样品接触并简单地在表面上移动，针尖—样品间优点：可产生稳定、高分辨图像。缺点：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，严重影响AFM成像质量。工作模式-接触模式工作模式-接触模式

相互作用力是范德华吸引力，远小于排斥力.

forcecurved:5~20nm振幅：2nm～5nm工作模式-非接触模式范德华吸引力

微悬臂以共振频率振荡，通过控制微悬臂振幅恒定来获得样品表面信息的。

forcecurved:5~20nm工作模式-非接触模式

优点：对样品无损伤

缺点：

1）分辨率要比接触式的低。

2）气体的表面压吸附到样品表面，造成图像数据不稳定和对样品的破坏。

工作模式-非接触模式优点：对样品无损伤工作模式-非接触模式

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更大的振幅(5~100nm)，针尖在振荡时间断地与样品接触。

forcecurve振幅：5nm～100nm工作模式-轻敲模式介于接触模式和非接触模式之间:forcecu

特点：

1）分辨率几乎同接触模式一样好；

2）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；工作模式-轻敲模式特点：工作模式-轻敲模式AFM的硬件架构：

原子力显微镜(AFM)系统结构

分三部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。AFM的硬件架构：原子力显微镜(AFM)系统结构分三部分力检测部分：在AFM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。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。cantilevertip：Φ<10nmlaserCantilever：100—200µm

piezoyzxphotodiode

一般探针由Si或Si3N4制备。表面镀10-50nm厚的Pt，Cr，Ti，Ir等金属制成导电探针；镀上Co，Fe等铁磁性层即制成磁性探针；此外，还有类金刚石和全金刚石探针。力检测部分：cantilevertip：Φ<10nmlas位置检测部分：在AFM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