扫描探针显微镜说课材料.ppt

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1、扫描探针显微镜显微镜的发展：高级显微镜1938年，德国工程师MaxKnoll和ErnstRuska制造出了世界上第一台透射电子显微镜（TEM）1952年，英国工程师CharlesOatley制造出了第一台扫描电子显微镜（SEM）至此，电子显微镜的分辨率达到纳米级扫描探针显微镜的产生的必然性低能电子衍射和X射线衍射光学显微镜和扫描电子显微镜高分辨透射电子显微镜场电子显微镜和场离子显微镜X射线光电子能谱样品具有周期性结构不足分辨出表面原子用于薄层样品的体相和界面研究只能探测在半径小于100nm的针尖上的原子结构和二维几何性质，且制样技术复杂只能提供空间

2、平均的电子结构信息扫描探针显微镜的特点分辨率工作环境样品环境温度对样品破坏程度检测深度扫描探针显微镜原子级(0.1nm)实环境、大气、溶液、真空室温或低温无100μm量级透射电镜点分辨(0.3~0.5nm)晶格分辨(0.1~0.2nm)高真空室温小接近SEM,但实际上为样品厚度所限，一般小于100nm.扫描电镜6~10nm高真空室温小10mm(10倍时)1μm(10000倍时)场离子显微镜原子级超高真空30~80K有原子厚度相较于其它显微镜技术的各项性能指标比较扫描探针显微镜的产生扫描隧道显微镜1982年人类第一次能够实时地观察单个原子在物质

3、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应用前景，被国际科学界公认为八十年代世界十大科技成就之一。扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope)工作原理：一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0：经典物理学：不可能越过此势垒，透射系数等于零，粒子将完全被弹回。量子力学：一般情况下，其透射系数不等于零，粒子可以穿过比它能量更高的势垒（隧道效应）。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，隧道效应才会显著。经计算，透射系数T为：：实验设想

4、：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；当样品与针尖距离非常接近(通常小于1nm)；加入外加电场的作用下。结果：电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极，形成电流，即隧道电流。STM就是运用了“隧道效应”这一原理，如图：探针与样品之间的缝隙就相当于一个势垒，电子的隧道效应使其可以穿过这个缝隙，形成电流，并且电流对探针与样品之间的距离十分敏感，因此通过电流强度就可以知道到探针与样品之间的距离原子力显微镜（AFM)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1985年，IBM公司的Binning和Stanford大学的Qu

5、ate研发出了原子力显微镜（AFM），弥补了STM的不足图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。原子间范德华力原子力显微镜：利用微小探针与待测物之间交互作用力，来呈现待测物表面的物理特性。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。

6、SPMs检测物理量横向分辨率STMScanningTunnelingMicroscope隧穿电流0.1nmMFMMagneticForceMicroscope磁力0.2nmEFMElectrostaticForceMicroscope静电力50nmAFMAtomicForceMicroscope原子间作用力0.2nmLFMLateralForceMicroscope切向力2nmAFM的操作原理SPM基本结构一：硬件架构：在原子力显微镜（AtomicForceMicroscopy，AFM）的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统

7、。力检测部分：在原子力显微镜（AFM）的系统中，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。位置检测部分：在原子力显微镜（AFM）的系统中，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

8、。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的信号，以供控制器作信号处理。反馈系统：在原子力显微镜（AF