扫描探针显微镜实验报告

实验报告课程名称电镜技术成绩姓名学号实验日期2013.4.24实验名称扫描探针显微镜指导教师实验目的与任务了解扫描电镜的发展历程及分类学习并了解扫描探针显微镜的结构及原理掌握扫描探针显微镜的操作步骤4.了解扫描探针显微镜的应用实验基本原理扫描探针显微镜的发明背景1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛·宾尼博士和海·罗雷尔博士及其同事们共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicroscope,以下简称STM）。在STM出现以后，又陆续发展了一系列工作原理相似的新型显微技术，包括原子力显微镜（AtomicForceMicroscope,以下简称AFM）、横向力显微镜（LateralForceMicroscope,以下简称LFM）等，这类基于探针对被测样品进行扫描成象的显微镜统称为扫描探针显微镜（ScanningProbeMicroscope,以下简称SPM）。2.STM概述（1）STM出现的意义STM的出现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。STM不仅具有很高的空间分辨率（横向可达0.1nm，纵向优于0.01nm），能直接观察到物质表面的原子结构；而且还能对原子和分子进行操纵，从而将人类的主观意愿施加于自然。可以说STM是人类眼睛和双手的延伸，是人类智慧的结晶。（2）STM的优点具有原子级高分辨率；可实时地得到在真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、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在溶液中，并且探测过程对样品无损伤；配合扫描隧道谱STS(ScanningTunnelingSpectroscopy)可以得到有关表面电子结构的信息；利用针尖可以搬迁和操纵单个原子。（3）STM的局限性在STM的恒流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差。STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性。（4）STM的基本原理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。（5）STM的基本结构STM仪器由具有减振系统的STM头部(含探针和样品台)、电子学控制系统和计算机组成。（6）STM的应用扫描图像；操纵单一分子或原子；.I-V曲线测定、信息存储。3.AFM概述（1）AFM原理及结构AFM的装置和STM一样，AFM也有：振动隔绝系统；机械系统；针尖系统；电子系统和计算机系统几个大的部分组成。（2）AFM的应用纳米材料的形貌测定；纳米尺度的物性测量；生物材料的研究；纳米结构加工。4.SPM概述（1）SPM的原理利用压电材料，将电压转变为位移，控制探针在纳米级的距离上对被测样品的表面进行扫描，同时记录扫描过程中探针和样品的相互作用，从而得到样品的表面信息。（2）扫描探针显微镜（SPM）与其他显微镜技术的各项性能指标比较实验方法与步骤打开气瓶给防震气垫充气，打开稳压电源，打开主机和计算机电源打开操作程序，选择相应的测量模式安装探针支架和样品打开四象限检测器，天界激光位置和强度至最佳，激光全部打到微悬臂上QCurve测量下针选择扫描的相应图像模式观察扫描的非线性开始扫描退针，取支架及样品对图像进行保存，对图像的粒径、表面情况选择相应软件进行分析12.退出操作系统，关闭主机，计算机，稳压电源，气瓶实验结果及数据处理此图扫描事业面积为2μm×2μm,图中棕黄色的部分代表为平整的硅板面，金黄色的点状部分代表堆积的锗粒子，点越亮代表锗粒子堆积的高度越高，反之则越低。此图所示为立体三维图如此图所示，样品中该锗粒子上下两边的高度分别为：Z1=10.37531nm，Z2=17.32571nm，高度差△Z=6.950402nm，两点间距离为32.39466nm，两点间角度差为12.10945°；左右两边的高度分别为Z1=10.00725nm，Z2=10.25314nm，高度差△Z=0.245891nm，两点间距离为65.05928nm，两点间角度差为0.216548°。所以，该锗粒子的直径约为65.05928nm，高度约为32.39466nm。RaRa断面中心线平均光洁度6.036E+01nmP-V最大高低差0.000E+00nmL测定长度8.238E+02nmλccutoff值4.570E+01nm△a平均倾斜角1.072E+01°HistogramZ值范围的频率分布1.18BearingRatioZ值的最大值到Z值分布的累积频率分布19.68Ra平面光洁度2.395E+00nm