材料科学研究方法：扫描探针显微镜.pptVIP

扫描隧道显微镜(STM) 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。 1986年，STM的发明者宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。 针尖 隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要 问题之一。针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着 扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也影 响着测定的电子态。 目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法(金属钨 丝)、机械成型法(铂-铱合金丝)等。 金属钨丝 铂-铱合金丝 其他工作模式： 1、I(Z)谱测量：通过改变针尖的高度得到的一系列的隧道电流而形成的曲线。I(Z)谱可检测针尖的质量。 2、I(V)谱测量：断开反馈回路，固定针尖位置，通过一系列不同的偏压下得到的隧道电流而形成的曲线。 3、势垒高度图象：对针尖Z方向的压电管加一交流电压从而调制针尖与样品的距离，可根据调制的信号得到dI/dZ在表面形成的图象。该图象提供了样品表面的微观功函数的空间分布。 4、电子态密度图象：在扫描过程中，偏压V以dU调制，从而得到调制后的隧道电流dI，这样dI/dV在表面形成的图象就反应了样品表面的电子态密度分布。 具有原子级高分辨率。 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、常温等不同环境下工作，并且探测过程对样品无损伤。 STM的恒流工作模式下，有时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。 只能观察样品表面，不能探测样品的深层信息。 对探针的制备技术要求很高。实验的成功率在很大程度上依赖于操作者的经验和机遇。 探针扫描范围小（微米范围），难以对观察点精确定位。 样品必须具有一定程度的导电性。 原子力显微镜(AFM) 1 原子力显微镜(AFM)工作原理 原子力显微镜利用原子力来实现显微观察，与导电无关。克服了STM不能测量不导电样品的缺点，实现了对绝缘体原子级的观察。 利用一个对微弱力极敏感的微悬臂，其末端有一微小的针尖，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的力，这力使微悬臂发生偏离。用激光检测法测得微悬臂对应于扫描各点的偏离量，从而可以获得样品的表面形貌的信息。 微悬臂 原子力 在这个过程中，通过反馈系统控制样品的上下（z方向）移动，改变探针与样品距离或原子间作用力，同时在样品的水平面（x,y平面）内做二维扫描，即可获得样品表面的三维结构图。 2.工作模式 接触模式 探针与样品表面紧密接触并在表面滑动。针尖与样品之间的相互作用力是两者相接触原子间的排斥力。靠这种排斥力获得图像。通过反馈系统控制样品的上下（z方向）移动，改变探针与样品距离，以保持排斥力不变，同时在样品的水平面（x,y平面）内做二维扫描，从而可以获得样品的表面形貌的信息。 对易变形的低弹性样品存在缺点。 * * * * * 扫描探针显微镜 欧阳星 深圳大学材料学院 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 场离子显微镜和原子探针显微分析 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 只能提供空间平均的电子结构信息 人类一直想直接看到原子，1981年扫描隧道显微镜的发明使梦想成为现实。 其它和扫描隧道显微镜有相似原理的极高分辨率的仪器如原子力显微镜、扫描热显微镜等相继出现。统称扫描探针显微镜(SPM)。 10mm (10倍时)1μm (10000倍时) 小 室温 高真空 6~10nm 扫描电镜 原子厚度 有 30~80K 超高真空 原子级 场离子显微镜 接近SEM,但实际上为样品厚度所限，一般小于100nm. 小 室温 高真空 点分辨(0.3~0.5nm) 晶格分辨(0.1~0.2nm) 透射电镜 100μm量级 无 室温或低温 实环境、大气、溶液、真空 原子级(0.1nm) 扫描探针显微镜 检测深度 对样品破坏程度 温度 工作环境样品环境 分辨率 相较于其它显微镜技术的各项性能指标比较 SPM设备相对简单、体积小、对安装环境要求较低、对样品无特殊要求、操作简便等特点，同时日常维护和运行费用低。 扫描探针显微镜正在迅速地被应用于科学研究的许多领域，如纳米技术，催化新材料，生命科学，半导体科学等，并且取得了许多重大的科研成