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第1页，共31页，星期日，2025年，2月5日五、原子力显微镜（AFM）1．特点2．工作原理3．结构及关键技术Δ力传感器Δ微悬臂位移检测法4．应用例举六、扫描探针显微镜（SPM）第2页，共31页，星期日，2025年，2月5日一、简介1．从光学显微镜→电子显微镜→场离子显微镜→STM分辨200nm几个nm?2．原理3．独特优点：Δ观察表面形貌达原子分辨Δ无需任何透镜，不存在象差Δ可在各种条件下测量：真空、大气、水、油及液氮中Δ广泛的应用：形貌、表面电位、电子态分布原子力显微镜及原子探针显微镜纳米技术、表面微细加工、搬动原子1986年获诺贝尔物理奖(G.BinnigandH.Rohrer)第3页，共31页，星期日，2025年，2月5日二、基本原理1．隧道电流隧道结电流密度（对两平行金属）s：有效隧道距离VT：所加电压ko：ko=φ：有效势垒高度φ＝1/2(φ1+φ2)eV对于真空是几个电子伏对氧化物小于1电子伏第4页，共31页，星期日，2025年，2月5日I-s有指数关系：I∝exp[-2kos]隧道电流在10－9－10－6A量级当s增加Δs时：I∝exp[-2kos]·exp[-2koΔs]设Δs=1?，ko≈1?－1(φ～5eV)则exp[-2koΔs]=e－2≈1/8即：当s增加1?时，I将减少一个数量级。第5页，共31页，星期日，2025年，2月5日2．工作模式△恒高模式用隧道电流的大小来调制显象管的亮度△恒电流模式用电子学反馈的方法控制针尖与样品间距离不变(保持隧道电流不变)，用反馈调制电压控制显象管亮度或画出表面形貌三维图象。第6页，共31页，星期日，2025年，2月5日精度控制估算：由I∝exp[-2kos]lnI=-2kos+常数两边微分ΔI/I=-2koΔs若保持隧道电流I不变ΔI/I在±2％之内（电路控制可达精度）设ko≈1?－1，则Δs≈0.01?表明：针尖至表面距离的控制精度可达0.01?第7页，共31页，星期日，2025年，2月5日三、扫描隧道显微镜的结构1.技术关键△微小距离的移动及控制－压电陶瓷位移灵敏度在5?/V量级STM针尖半径R3-10?针尖与表面距离2-5?△防震第8页，共31页，星期日，2025年，2月5日2.结构三维控制的压电陶瓷：Px和Py上加周期锯齿波电压，使针尖沿表面作光栅扫描。利用隧道结电流I反馈，控制加于Pz上的电压来控制s，以保持I不变。如s↗→I↘→Pz上的电压↗→Pz伸长→s↘。VPz(VPx,VPy)曲线为样品表面三维轮廓线。第9页，共31页，星期日，2025年，2月5日△XYZ位移器（样品位置细调〕微小距离移动的精确控制△样品粗调使针尖与表面的距离，从光学可觉察的距离(10-100μm)调整到100?量级－Louse结构－精细螺旋机构△防震系统分析－使由振动引起的隧道距离变化?0.001nm(振动：针对重复性、连续的，通常频率在1－100Hz)第10页，共31页，星期日，2025年，2月5日四、扫描隧道显微镜的应用1．表面形貌测量及其分辨率假设样品表面存在陡变台阶，由于针尖