内容发布更新时间 : 2024/12/28 5:52:31星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

扫描探针显微镜

【目的要求】

1.学习和了解扫描探针显微镜的结构和原理；

2.掌握扫描探针显微镜的模式之一---扫描隧道显微镜的操作和调试过程，并以之来观察样品的表面形貌；

3.学习用计算机软件来处理原始数据图像。 【仪器用具】

扫描探针显微镜、针尖、计算机、光栅样品 【原 理】

1.扫描探针显微镜简介

扫描探针显微镜是继光学显微镜和电子显微镜发展起来后的第三代显微镜。80年代初期，IBM公司苏黎世实验室的G.Binning 和H.Rohrer发明了扫描隧道显微镜，它的分辨率达到0.01纳米。STM的诞生，使人类第一次在实空间观测到了原子，并能够在超高真空超低温的状态下操纵原子。在STM的基础上，又发明了原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等等，这些显微镜都统称扫描探针显微镜。因为它们都是靠一根原子线度的极细针尖在被研究物质的表面上方扫描，检测采集针尖和样品间的不同物理量，以此得到样品表面的形貌图像和一些有关的电化学特性。如：扫描隧道显微镜检测的是隧道电流，原子力显微镜镜测试的是原子间相互作用力等等。

光学显微镜和电子显微镜都称之为远场显微镜，因为相对来说样品离成像系统有比较远的距离。成像的图像好坏基本取决于仪器的质量。而扫描探针显微镜的工作原理是基于微观或介观范围的各种物理特性，探针和样品之间只有2-3埃的距离，会产生相互的作用，是一种相互影响的耦合体系。我们称它为近场显微镜。它的成像质量不单单取决于显微镜本身，很大程度上受样品本身和针尖状态的影响。所以，我们在使用这一类的仪器时，要想得到好的图像，关键是要学会分析判断各种图像及现象的产生原因，然后通过调整参数，得到相对好的图像。

2. 扫描探针显微镜的基本结构 (1) 减振系统

是仪器有效得到原子图像的必要保证。有效的振动隔离是STM达到原子分辨率所严格要求的一个必要条件，STM原子图像的典型起伏是0.1埃，所以外来振动的干扰必须小于0.05埃。有两类振动是必须隔离的：振动和冲击。振动一般是重复性和连续性的，而冲击则是瞬态变化的，在两者之中，振动隔离是最主要。通常采用悬吊来隔离振动。

(2)头部探测系统

由支架、针尖驱动机构（扫描器）、针尖和样品组成，是仪器的工作执行部分。

①.扫描系统

扫描系统包括扫描器和针尖块。

扫描器使用4象限压电陶瓷管，采用样品扫描方式。

针尖块中密闭着前置放大器，通过引线将放大后的信号送至电子学控制箱。 针尖块的设计使用了专利技术—智能针尖连接结构。在进行不同工作模式之间的转化时，用户只需将我们提供的安装不同种类探针的针尖块插入针尖架中即可。系统会自动识别当前针尖的种类，并将软件切换到相应的工作模式。

②.驱进系统

驱进调节机构主要用于粗调和精细调节针尖和样品之间的距离。利用两个精密螺杆手动粗调，配合步进马达（可以手控也可计算机控制调节），先调节针尖和样品距离至一较小间距（毫米级，），然后用计算机控制步进马达，使间距从毫米级缓慢降至纳米级（在有反馈的情形下），进入扫描状态。退出时反之。

③.支架：支架主要用于固定驱进系统以及与减震系统的连接。 (3)电子学控制系统 是仪器的控制部分，主要实现形貌扫描的各种预设的功能以及维持扫描状态的反馈控制系统。包括：

①.前置放大器：安装在头部针尖块内； ②.头部电路接口：安装在头部支座内；

③.电子学控制箱：包括前面板、后面板和线路控制部分；

④.马达驱动电路：安装在头部支座内，用于手动/计算机自动控制马达的进退，即针尖脱离或趋进样品；

AD/DA多功能卡：安装在电子控制机箱内。

(4)计算机软件系统：是人机交互操作的主要界面，完成实时的控制、数据的获取和处理，以及数据的分析处理和输出。

步进马达 马达驱动 针尖偏压 TTL 前置放大器 自动 控制 Z 压电陶瓷 扫描管 XY 控制 AD/DA 多功能卡 并行口 头部系统 电子学控制机箱 计算机 图1.仪器基本构成示意图

各部分的关系如下图所示：

针尖驱动机构 针尖 样品 减震系统 支 架

电子学系统 计算机

3. 扫描探针显微镜的工作模式之一---扫描隧道显微镜的基本原理

STM的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度

V0时，他不可能越过此势垒，即透射系数

等于零，粒子将完全被弹回。而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系

数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。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。

扫描隧道显微镜是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。由于隧道电流(纳安级)随距离而剧烈变化，让针尖在同一高度扫描材料表面，表面那些“凸凹不平”的原子所造成的电流变化，通过计算机处理，便能在显示屏上看到材料表面三维的原子结构图。STM具有空前的高分辨率(横向可达0.1nm，纵向可达0.01nm),它能直接观察到物质表面的原子结构图，从而把人们带到了纳观世界。

STM中针尖对样品作两维扫描 隧道电流与针尖样品表面距离呈负指数关系

扫描隧道显微镜主要有两种扫描模式：恒电流模式和恒高度模式。 yVT,Irzx yx反馈回路S(a)恒电流模式Vz(Vx,Vy)?z(x,y)(b)恒高度模式lnI(Vx,Vy)???z(x,y)a)恒电流模式。如图(a)所示， x、y方向进行扫描，在z方向加上电子反馈系统，初始隧道电流为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就向后退；反之，样