电镜的基本原理和

电镜的基本原理和第一页，共六十三页，2022年，8月28日第二页，共六十三页，2022年，8月28日第一章电镜的基本原理和构造

第三节扫描隧道显微镜与原子力显微镜第三页，共六十三页，2022年，8月28日一、扫描隧道显微镜（STM）

80年代初，G.Binnig和H.Rohrer等人发明了扫描隧道显微镜（STM），使原位观察固体表面的单个原子的排列状况成为可能。以扫描隧道电子显微镜为基础，1986年G.Binnig又发明了可用于绝缘体检测、分析的原子力显微镜（AFM)。第四页，共六十三页，2022年，8月28日

扫描隧道电子显微镜的原理：

不同于传统意义上的电子显微镜．它是利用电子在原子间的量子隧穿效应。将物质表面原子的排列状态转换为图像信息的。在量子隧穿效应中，原子间距离与隧穿电流关系相应。

通过移动着的探针与物质表面的相互作用，表面与针尖间的隧穿电流反馈出表面某个原子间电子的跃迁，由此可以确定出物质表面的单一原子及它们的排列状态。是不是利用对电子波的吸收成像呢？STM的原理是电子的“隧道效应”，所以只能测导体和部分半导体第五页，共六十三页，2022年，8月28日扫描隧道和原子力电子显微镜一般扫描电子显微镜放大倍数为几十万倍．透射电子显微镜的放大倍数可达百万倍以上扫描隧道电子显微镜的放大倍数通常可达几千万倍‹‹用STM测量高定向热解石墨

第六页，共六十三页，2022年，8月28日电子隧道效应（a）隧道效应（两金属靠得很近，ΨT1与ΨT2是贯穿隧道的电子波）返回（b）隧道电流的形成（加适当电位V，贯穿隧道的电子定向流动）第七页，共六十三页，2022年，8月28日STM的工作原理扫描隧道显微镜以原子尺度的极细探针(针尖)及样品(表面)作为电极，当针尖与样品表面非常接近(约1nm)时，在偏压作用下产生隧道电流。隧道电流(强度)随针尖与样品间距(s)成指数规律变化。第八页，共六十三页，2022年，8月28日STM工作原理图第九页，共六十三页，2022年，8月28日两种工作模式恒电流工作模式恒高度工作模式第十页，共六十三页，2022年，8月28日

（a）（b）图1

扫描模式示意图（a）恒电流模式；（b）恒高度模式S为针尖与样品间距，I、Vb为隧道电流和偏置电压，Vz为控制针尖在z方向高度的反馈电压。第十一页，共六十三页，2022年，8月28日恒电流工作模式沿表面扫描过程中，反馈电路接受由于样品表面原子排列变化（样品表面起伏的变化）引起的电压信号变化并驱动压电陶瓷使探针沿z方向上下移动，以保持隧道电流在扫描过程中恒定不变。返回第十二页，共六十三页，2022年，8月28日恒高度工作模式沿扫描过程中，探针保持在同一高度，随样品表面起伏的变化（针尖与样品表面间距变化），隧道电流不断的变化。第十三页，共六十三页，2022年，8月28日扫描隧道谱（STS）定义：在表面给定和固体的探针样品的间距下，使样品的偏压（V）从负几V~正几V连续扫描,同时测量隧道电流，从而获得隧道电流随偏压的变化（I-V或DI/DV-V曲线）,称为扫描隧道谱（STS）。返回第十四页，共六十三页，2022年，8月28日STM的特点具有原子级的高分辨率。STM在平行和垂直于样品表面方向（横向和纵向）的分辨率为≤0.1nm和≤0.01nm，可以分辨出单个原子。可实时得到样品表面三维（结构）图像。可在真空、大气、常温、高温下工作，甚至可将样品浸在水或其他溶液中。而且不破坏样品。第十五页，共六十三页，2022年，8月28日STM的运用STM最初主要用于金属、半导体和超导体等的表面几何结构与电子结构及表面形貌分析，还可以直接观测到样品具有周期性和不具有周期性特征的表面结构、表面重构和结构缺陷等。超真空STM可以原位观察、分析表面吸附和催化，研究表面外延生长和界面状态等。超高温真空STM还可以观察分析相变及上述各种现象的动力学过程。第十六页，共六十三页，2022年，8月28日STM的局限性不能探测样品的深层信息，无法直接观测绝缘体，探针扫描范围小，探针质量依赖于操作者的经验等。第十七页，共六十三页，2022年，8月28日P47多模式扫描探针显微镜

主要性能指标：样品尺寸：4040毫米,厚度10毫米扫描器范围：14141.4微米

50503微米最小步进值：0.02埃

0.07埃

X,Y方向D/A:22bitsZ方向分辨率：0.25埃数据采集通道数：4隧道电流测量范围：30pA-50nA(标准STM探头)

3pA-5nA(低电流STM探头）最大扫描点数：10001000减震系统：悬挂减震样品定位：手动螺旋测微器（选件）定位精度：5微米定位范围：55毫米光学显微镜：双筒长焦距光学显微镜（选件）放大倍率:8.4x-100x(使用14倍目镜)彩色CCD摄象机:>470线，43x-470x(选件）彩色监视器:>500线,14“(选件）第十八页，共六十三页，2022年，8月28日原子艺术扫描隧道显微镜下的美丽图像第十九页，共六十三页，2022年，8月28日纳米算盘硅表第二十页，共六十三页，2022年，8月28日利用STM操纵Fe原子与CO分子生成Fe(CO)x的过程模拟图显微拍摄图第二十一页，共六十三页，2022年，8月28日二、原子力显微镜（AtomicForceMicroscope，AFM）原子力显微镜同样具有原子级的分辨率。由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了STM的不足。原子力显微镜(AFM)的两种工作模式：接触式（Contact)和轻敲式(Tapping)

第二十二页，共六十三页，2022年，8月28日__AFM

原于力显微镜与TEM和SEM比有明显不同，它用一个微小的探针来“摸索”微观世界.AFM超越了光和电子波长对显微镜分辨率的限制，在立体三维上观察物质的形貌，并能获得探针与样品相互作用的信息．典型AFM的侧向分辨率(x，y方向)可达到2nm，垂直分辩牢(Z方向)小于0．1nm．AFM具有操作客易、样品准备简单、操作环境不受限制、分辨率高等优点。第二十三页，共六十三页，2022年，8月28日原子力显微镜原理

AFM的原理较为简单，它是用微小探针“摸索”样品表面来获得信息．如图1所示，当针尖接近样品时，针尖受到力的作用使悬臂发生偏转或振幅改变．悬臂的这种变化经检测系统检测后转变成电信号传递给反馈系统和成像系统，记录扫描过程中一系列探针变化就可以获得样品表面信息图像．第二十四页，共六十三页，2022年，8月28日图1AFM原理图

第二十五页，共六十三页，2022年，8月28日图1、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。

原子间范德华力第二十六页，共六十三页，2022年，8月28日

在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与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与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（contactAFM），探针与试片的距离约数个Å。

（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-contactAFM），探针与试片的距离约数十到数百Å。

第二十七页，共六十三页，2022年，8月28日原子力显微镜的成像模式接触式－利用原子斥力的变化而产生表面轮廓。非接触式－利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓。轻敲式－是接触与非接触两种模式的混合。第二十八页，共六十三页，2022年，8月28日在生物医学研究中，最常用的一种模式是敲击模式（tappingAFM）：在敲击模式中，一种恒定的驱使力使探针悬臂以一定的频率振动。当针尖刚接触样品时，悬臂振幅会减少到某一数值。在扫描过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒定，也就是说作用在样品上的力恒定，通过记录压电陶瓷管的移动得到样品表面形貌图。第二十九页，共六十三页，2022年，8月28日敲击模式的优越性：

敲击模式尽管没有接触模式的分辨率高，但是敲击模式在一定程度上减小样品对针尖的粘滞现象，因为针尖与样品表面接触时，利用其振幅来克服针尖-样品间的粘附力。并且由于敲击模式作用力是垂直的，表面材料受横向摩擦力和剪切力的影响都比较小，减小扫描过程中针尖对样品的损坏。所以对于较软以及粘附性较大的样品，尽量选用敲击模式。第三十页，共六十三页，2022年，8月28日第三十一页，共六十三页，2022年，8月28日检测系统

悬臂的偏转或振幅改变可以通过多种方法检测，包括：光反射法、光干涉法、隧道电流法、电容检测法等。目前AFM系统中常用的是激光反射检测系统，它具有简便灵敏的特点。激光反射检测系统由探针、激光发生器和光检测器组成.探针

探针是AFM检测系统的关键部分．它由悬臂和悬臂末端的针尖组成．随着精细加工技术的发展，人们已经能制造出各种形状和特殊要求的探针。悬臂是由Si或Si3N4经光刻技术加工而成的．悬臂的背面镀有一层金属以达到镜面反射。在接触式AFM中V形悬臂是常见的一种类型(如图2所示)．第三十二页，共六十三页，2022年，8月28日它的优点是具有低的垂直反射机械力阻和高的侧向扭曲机械力阻．悬臂的弹性系数一般低于固体原于的弹性系数，悬臂的弹性常数与形状、大小和材料有关．厚而短的悬臂具有硬度大和振动频率高的特点．

商品化的悬臂一般长为100~200μm、宽10~40μm、厚0.3~2μm，弹性系数变化范围一般在几十N·m-1到百分之几N·m-1之间，共振频率一般大于10kHz。探针末端的针尖一般呈金字塔形或圆锥形，针尖的曲率半径与AFM分辨率有直接关系．一般商品针尖的曲率半径在几纳米到几十纳米范围．光电检测器

AFM光信号检测是通过光电检测器来完成的。激光由光源发出照在金属包覆的悬臂上，经反射后进入光电二极管检测系统．然后，通过电子线路把照在两个二极管上的光量差转换成电压信号方式来指示光点位置。第三十三页，共六十三页，2022年，8月28日扫描系统

AFM对样品扫描的精确控制是靠扫描器来实现的．扫描器中装有压电转换器．压电装置在X，Y，Z三个方向上精确控制样品或探针位置。目前构成扫描器的基质材料主要是钛锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3]制成的压电陶瓷材料．压电陶瓷有压电效应，即在加电压时有收缩特性，并且收缩的程度与所加电压成比例关系．压电陶瓷能将1mv~1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。

第三十四页，共六十三页，2022年，8月28日第三十五页，共六十三页，2022年，8月28日反馈控制系统

AFM反馈控制是由电子线路和计算机系统共同完成的。AFM的运行是在高速、功能强大的计算机控制下来实现的。控制系统主要有两个功能：(1)提供控制压电转换器X-Y方向扫描的驱动电压；(2)在恒力模式下维持来自显微镜检测环路输入模拟信号在一恒定数值．计算机通过A/D转换读取比较环路电压(即设定值与实际测量值之差)．根据电压值不同，控制系统不断地输出相应电压来调节Z方向压电传感器的伸缩，以纠正读入A/D转换器的偏差，从而维持比较环路的输出电压恒定。

电子线路系统起到计算机与扫描系统相连接的作用，电子线路为压电陶瓷管提供电压、接收位置敏感器件传来的信号，并构成控制针尖和样品之间距离的反馈系统。第三十六页，共六十三页，2022年，8月28日

第三十七页，共六十三页，2022年，8月28日AFM的影响因素探针针尖的尺寸、形状及化学同一性不仅影响显微图像的分辨率，而且影响原子的电子态的测定、分析。样品的清洁处理：精密精加工-金相砂纸打磨-（机械、电解）抛光-Ar离子轰击（获得原子尺度的光洁度）-高温退火。第三十八页，共六十三页，2022年，8月28日AFM的探针探针针尖曲率半径:小于10纳米

针尖夹角:22度

工作模式:接触、非接触、

材料：高参杂硅

镀层材料：W,W2C,TiO,TiN,Cr,Co

镀层厚度：10-20纳米

导电镀层电阻率：5-50微欧姆厘米

返回第三十九页，共六十三页，2022年，8月28日AFM的运用用原子力显微镜不仅可以获得绝缘体表面（以及半导体和导体表面）的原子级分辨率图像，还可以测量、分析样品表面纳米级力学性质，如表面原子间力，表面的弹性、塑性、硬度、粘着力、摩擦力等。由于AFM的出现，使人们观察和移植固体表面原子成为可能，在此基础上导致了一个新的交叉学科-原子技术（原子工艺）的出现。这种技术可以在原子的尺度上对材料进行加工和制备。第四十页，共六十三页，2022年，8月28日MicroNanoAFM-I型原子力显微镜样品尺寸：≤Φ10mm

样品厚度：≤5mm

扫描范围：标准配置6μm×6μm

分辨率：STM（X-Y向0.1nm；Z向0.01nm）

接触模式AFM（X-Y向0.2nm；Z向0.03nm）

轻敲模式AFM(x-y方向0.2nm，z方向0.1nm)

最大扫描速率：20000P/S

扫描角度：0~360°

X-Y移动平台：移动范围3mm，移动精度5μm。

图像采样点：256×256/512×512

第四十一页，共六十三页，2022年，8月28日原子力显微镜在聚合膜材料研究中的应用第四十二页，共六十三页，2022年，8月28日分辨率能达到原子分辨水平；样品不需复杂的预处理，避免了由此所带来的测量误差；对操作环境的要求较宽松，在空气或液体(水、氯化钠溶液等)中观测都可以；操作力很小，能成功地观测软的物质表面。AFM聚合物膜研究中所表现的优点第四十三页，共六十三页，2022年，8月28日AFM在聚合物膜研究的应用现状1表面整体形态研究2孔径和孔径分布研究3粗糙度研究4膜污染研究第四十四页，共六十三页，2022年，8月28日1表面整体形态研究图上亮点表示膜表面的最高点，暗点表示膜表面的凹陷或膜孔，这样膜的表面整体形态在图象上一目了然。第四十五页，共六十三页，2022年，8月28日2孔径和孔径分布研究孔径和孔径分布是表征膜的重要参数第四十六页，共六十三页，2022年，8月28日Fig.2.Tappingmodeatomicforcemicrographsof(a)outside,(c)inside(d)distributionofporediameterdeterminedbyAFM.3第四十七页，共六十三页，2022年，8月28日第四十八页，共六十三页，2022年，8月28日4第四十九页，共六十三页，2022年，8月28日第五十页，共六十三页，2022年，8月28日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。第五十一页，共六十三页，2022年，8月28日6Fig.3.AFMimagesofmodifiedNF-270membranesoflow(a),moderate(b)andheavy(candd)modification.Theaverageroughness(innm)is:(a)1.3;(b)1.9;(c)9.9;(d)4.9.第五十二页，共六十三页，2022年，8月28日第五十三页，共六十三页，2022年，8月28日膜污染是指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子，由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附，沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化。4膜污染研究第五十四页，共六十三页，2022年，8月28日图3新膜表面三维图X—1μm/格;Z—50nm/格图4污染膜表面三维图X—1μm/格;Z—2000nm/格7第五十五页，共六十三页，2022年，8月28日第五十六页，共六十三页，2022年，8月28日第五十七页，共六十三页，2022年，8月28日其它显微镜LFM激光力显微镜MFM磁力显微镜BEEM弹道电子发射显微镜可用于观察样品表面的起伏状态。由于其探针离表面较远，而且观察表面起伏的最小尺寸度约5nm，因此也可用来测量表面窄缝的内部特征。分辨率优于25nm，主要用于观察磁场边界、磁场强度等，如可用于观察磁盘存贮的数据等是由STM派生出来，用于研究界面性质并具有纳米空间分辨率的一种显微镜。通过BEEM图．可以观察到界面结构以及由于界面结构的缺陷和界面双方元素的互扩散或化学作用形成的电子态不均匀性状态。第五十八页，共六十三页，2022年，8月28日第五十九页，共六十三页，2022年，8月28日按照S