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扫描探针显微镜讲义2007/11/13 丁喜冬目次一 扫描探针显微镜（SPM）概述二 扫描力显微镜(SFM)概述三 SFM中的力及其检测技术四 几种常见的SPM五 商品化的SPM仪器的例子六 SPM的应用举例参考文献：(1) 白春礼、田芳、罗克著，扫描力显微术，科学出版社，2000(2) 白春礼编著，扫描隧道显微术及其应用，上海科学技术出版社，1992.10 (3) G.Binning,C.F.Quate,Ch.Gerber. Phys.Rev.Lett 56,930(1986)(4) J. K. H. Horber1 and M. J. Miles， Scanning Probe Evolution in Biology，Volume302, Science, 7.Nov 2003(5) Werner A.Hofer, Adam S.Foster, Alexander L.Shluger, Theories of scanning probe microscopes at the atomic scale, Reviews of Modern Physics, Volume75, October 2003.一 扫描探针显微镜（SPM）概述1、发展背景1982年，国际商用机器公司（IBM）苏黎世实验室的宾尼（Binning）和罗雷尔（Rohrer）及其同事们研制成功了世界上第一台新型的表面分析仪器扫描隧道显微镜（Scanning Tunning Microscope, STM）。宾尼和罗雷尔因此而获得1986年的诺贝尔物理学奖。它的出现，使人类第一次能够实时的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，被国际科技界公认为80年代十大科技成就之一。随后，STM仪器本身及其相关仪器获得了蓬勃发展，诞生了一系列在工作模式、组成模式及主要性能与STM相似的显微仪器，用来获取STM无法获取的各种信息。这些仪器目前统称为扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope, SPM）。这些仪器的共同特点是：采用尖锐的探针在样品表面扫描的方法来获取样品表面的一些性质。不同的扫描探针显微镜主要是针尖特性及相应针尖-样品相互作用的不同。这些仪器的发明，使人们跨入了原子和分子世界，成为人们认识微观世界的有力工具，在科技和工业方面已经、并且必将继续产生深刻的影响，在材料科学、微电子学、物理、化学、生物学等领域有着重大的意义和广阔的应用前景。2、SPM的种类扫描探针显微镜（SPM）家族中目前有近20个成员。由于其技术还在不断发展之中，所以其成员将继续增加。按照工作原理，大致可以分为：与隧道效应有关的显微镜、扫描力显微镜、扫描离子电导显微镜、扫描热显微镜等几类。与隧道效应有关的显微镜是基于量子隧道效应工作的。STM是SPM家族的第一个成员，也是与隧道效应有关的显微镜的典型代表。其成员还包括扫描噪声显微镜（SNM）、扫描隧道电位仪（STP）、弹道电子发射显微镜（BEEM）、光子扫描隧道显微镜（PSTM）等。扫描力显微镜（Scanning Force Microscope,SFM）通过检测探针与样品之间的相互作用力而成像，除了宾尼等人于1986年发明的原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）外，应用较广的还有：磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜（EFM）、摩擦力显微镜（LFM）、化学力显微镜（CFM）等。 3、SPM的工作原理扫描探针显微镜采用尖锐的探针在样品表面扫描的方法来获取样品表面的电、磁、声、光、热等物理的或化学的性质。不同的扫描探针显微镜主要是针尖特性及相应针尖-样品相互作用的不同，即各种扫描探针显微镜除了探针部分外，工作原理是基本一样的。4、SPM的应用前景SPM具有的原子和分子尺度上的探测材料性质的能力，因此，SPM无论在基础项目研究还是在技术领域的应用都具有独一无二的优势。目前，SPM已广泛应用于材料科学、物理、化学、生命科学等科研领域，取得了许多重要的研究成果，并推动着这些学科向前发展，出现了一系列新的交叉学科。另外，扫描探针显微镜的应用已不仅仅局限于基础研究方面，它已迅速向工业应用领域扩展。图1-1 SPM的分类图1-2 SPM的工作原理二 扫描力显微镜(SFM)概述1、 SFM的含义、分类、比较：（含义：p1下-p2上，p3b-p4u）SFM是几种以检测探针与样品间相互作用力为特征的扫描力显微镜的统称，其中原子力显微镜（SFM）是最有代表性的一种力显微镜。（力的种类：P7中、下）离子排斥力、范德华力、毛细管力、磁力、静电力，固液界面和薄液膜上的力以及摩擦力等（SFM的分类：P28-P29文字）（比较：P2b-P3m）相应的扫描力显微镜有原子力显微镜（AFM），摩擦力显微镜（LFM），磁力显微镜（MFM），静电力显微（EFM）和化学力显微觎（CFM）等统称为SFM 在历史上，金刚石探针轮廓仪和表面力装置是先于SFM出现的，而SFM可以大致认为是二者的结合。轮廓仪的工作原理是用装有针尖的悬臂同样品接触，样品在悬臂下横向移动，利用电容方法检测悬臂位置。得到的实验数据为线扫描像或样品表面的轮廓，用轮廓仪可测得的深度和力分辨率分别是0.lnm和 1000nN。表面力装置（SPA）是测量两个用云母或硅覆盖的交叉圆柱间的范德华力、双层力、粘滞力、水合力和粘附力。这些力是在真空、水蒸气存在或液体条件下，对应两平面间不同距离测量得到的。圆柱一般具有lcm的曲率半径，其中一个圆柱装在悬臂上，以使两个圆柱间的力可以通过测量悬臂形变来确定，悬臂的形变用光干涉技术来检测。表面接触时接触面积在1030um2。两个平面间距离可以控制在0.1nm，力分辨率大约是 20nN。 硬度测试仪或微刻压仪是通过记录改变应力或刻压过程中针尖位移，来表征材料的机械性质,如模量、硬度、蠕变和压力松弛等。针尖的位移通常利用电容方给来确定，所压入深度记录为应力的函数。最先进商品仪器的力和深度分辨率分别是75uN和0.04nm.SFM具有上面三种仪器，即轮廓仪、表面力装置和微刻压仪的所有特征，而且功能更加完善。图2-1 SFM与其它技术的比较2、 SFM的工作原理：(P8-P9文字，图2-2 (P8_tu1.1) )SFM使用一个一端固定而另一端起有针尖的弹性微悬臂来检测样品表面形貌或其他表面性质的。当样品或针尖扫描时，同距离有关的针尖样品间相互作用力（既可能是吸引的，也可能是排斥的）就会引起微悬臂发生形变。也就是说微悬臂的形变可作为样品-针尖相互作用力的直接度量。一束激光照射到悬臂的背面微悬臂将激光束反射到一个光电检测器，检测器不同象限接收到的激光强度差值同微悬臂的形变量会形成一定比例关系，参见图2-2。图2-2 SFM的力的检测（最常用的方法）3、 SFM的操作模式：（四种：文字P9-P10）恒力模式原理上恒力模式是使用最广泛，同时也是最容易理解的扫描过程。通过反馈回路来保持微悬臂形变量不变，从而控制力的恒定。在精确校正了控制Z方向运动的压电陶瓷驱动器的压电系数后，可通过反馈回路输出的变化精确测量Z轴方向的运动。变化的形变模式（恒高模式）在扫描过程中，检测器直接测量悬臂的形变量。如果力的相对变化不是太大，这种模式可用与恒力模式相似的方式来解释。与恒力模式有所不同，因为没有使用反馈回路，可采用更高的扫描速度。恒梯度模式微悬臂是振动的，检测器通过锁相技术来测量信号。调制频率选在悬臂机械共振频率附近。可保持共振频率恒定来测量（f(k-f)1/2。另外一种不同的模式，用频率调制（FM）检测器直接测量频率的变化。这个方法的优点就是能非常有效的应用高Q值悬臂。谱学模式(力-距离曲线)力-距离曲线一般是在扫描范围内选取的几个点上测量得到的。可得到了空间分辨的力一距离曲线，测量出毛细力以及液态膜厚度的变化。随着谱学方法在SFM中的广泛应用，通过力-距离曲线可以测量探针与材料表面间各种相互作用力。图2-3力-距离曲线（力曲线）(P147)4、 SFM的成像模式：接触模式、非接触摸式、轻敲模式图2-3：三种成像模式比较（P11图1.2）图2-5：液体中的接触模式（P12图1.3）图2-6：轻敲模式图（P14图1.4）图2-7：三种模式的工作区间比较（P14图1.5）（文字P10下-P15）空气和液体中的接触模式 在SFM的常规接触摸式中，针尖始终同样品接触并简单地在表面上移动。针尖样品间的相互作用力是互相接触原于的电子间存在的库仑斥力排斥力，其大小通常为 10-8-10-11N。样品表面的AFM形貌图像通常是采用这种斥为模式获得的。虽绍接触摸式通常可产生稳定、高分辨图像，但它在研究低弹性模量样品时有一些缺点。例如探针在样品表面上移动以及针尖表面间的粘附上有可能使样品产生相当大的变形，井对针尖产生较大的损害，从而可能在图像数据中出现假象。大气条件下大多数样品表面都吸附有一覆盖层（凝聚水蒸气或其他有机污染物）一般有几纳米厚。当扫描探针接触这个吸附层时，毛细作用使其产生凹面，并且表面张力使针尖向下进人这一吸附层。此外，针尖和样品上的静电荷也可能引起额外粘附力，增加了作用在样品上的总力。同时探针扫描移动时产生的压缩力和剪切力也有可能破坏样品，如表面特征的移动或变形这些将严重影响AFM成像质量。将样品浸入液体进行AFM操作可以克服与毛细力有关的问题（图2-4）。当探针在液体中以接触模式扫描，作用在样品上的力低于在大气中操作的力，这是因为在液体中不再存在液体层或凹面，静电力也能被消散或屏蔽。但是，由于水合样品通常比干燥样品软扫描探针仍然有可能引起样品的形变和移动，进而引起图像质量降低和样品损坏。另外，许多样品像半导体硅片，实际上是不能浸入液体的。非接触摸式非接触摸式是控制探针在样品表面上方520 nm处扫描，探针始终不与样品表面接触，因而针尖不会对样品造成污染或产生破坏，这免了接触模式中遇到的一些问题。在非接触模式中，针尖样品间相互作用力是很弱的长程力范德华吸引力。由于吸引力远小于排斥力,因此为了提高信噪比，必须在针尖上加一小的振荡信号，以便AC检测方式能够用来检测针尖-样品间较小的作用力。针尖和样品间距是通过保持悬臂共振频率或振幅恒定来控制的。由于可以控制针尖完全在样品表面吸附气体层上方或完全没人吸附层内进行非接触扫描。因此接触模式中存在的毛细管力和静电力对作用在样品L的力的影响非常小。这种非接触 模式虽然增加了显微镜的灵敏度，但在相对较长的针尖一样品间距 情况下分辨率要比接触模式的低。轻敲模式是新发展起来的成像技术，介于接触模式和非接触 模式之间。其特点是扫描过程中微悬臂也是振荡的并具有比非接触模式更大的振幅（大于20nm）针尖在振荡时间断地与样品接触。由于针尖同样品接触分辨率几乎同接触摸式上一样好：同时由于接触非常短暂，因此的剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失 克服了常规扫描模式的局限。轻敲模式在大气中成像是利用压 电晶体在微悬臂机械共振频率附近驱动微悬臂振荡。当针尖不与 表面接触时，微悬臂是高振幅“自由”振荡的。当振荡的针尖向表 面移动直到轻轻接触表面时，由于微悬臂没有足够空间去振荡，其振幅将减少；之后，针尖反向向上振荡，微悬臂有了更多的空间并且振荡的振幅增大（接近空气中自由振荡振幅），反馈系统根据检 测器测量的这个振幅，不断调整针尖样品间距来控制做悬臂振幅，亦即作用在样品上的力恒定，从而得到样品的表面形貌。图 2-3给出了轻敲模式AFM示意图。轻敲模式中针尖样品间的作用力通常为10-9-10-12N。它可以对柔软、易碎和粘附性较强的样品成像，而对它们不产生破坏。微悬臂或样品的共振（概述文字：P51）（力梯度与有效弹性系数：P52下-P53，含公式）振动增强的形式：图2-8 双压电晶片示意图（P52-图2.9）图2-9 振动双压电晶片上的悬臂（P54-图2.10）图2-10 振动样品（P62-图2.13）图2-11 振动针尖，引起悬臂振动其振幅由隧道电流监测（P65-图2.15）三 SFM中的力及其检测1、SFM中的力和势（力：文字：P76-78 （简要）（势：P82，含公式）图3-1 两个原子或分子的LJ势：Lennard-Jones6-12气体势能原子间力：离子键；共价键；排斥力；金属粘附力分子间力：偶极-偶极力；诱导偶极力；色散力；色散力：由于电荷分布的波动，正电荷中心对应负电荷中心瞬间会存在偏移。这样在一定时刻就有偶极子存在 并在另一原子中诱导偶极子。因此非极性原子（例如氖）或分子也是相互吸引的。因为电行波动发生在差不多与UV光相同的频率左右（1015/S），而且UV光是散射或色散的，色散力因此而得名。2、 臂/针尖-样品的相互作用力的表现：如粘附、摩擦、磁力、静电力（文字：P107的全部） 在任何SFM实验中，针尖一样品间同时发生多种相互作用力。探针在接近样品表面过程中，首先回到的作用力是空气介质的阻尼（这个现象只发生在轻敲模式中）。探针与样品表面相距10um左右时它们之间形成了一个阻尼空气层。探针振荡过程中，每次下降都会压缩探针样品表面间的空气；相反上升会导致局部真空。这个过程阻尼了探针的移动，而且有可能导致探针错误迫近样品表面。一旦超过这个界限，此现象也随之消失，探针在空气中自由振荡。当探针一样品表面相距0.1-1um时，静电相互作用力是主要的。根据样品的不同，吸引力或排斥力会有所变化，对图像干扰有时也是很大的。 所有样品在空气中，它们的表面都有一薄的水层。几个单层的吸用水就能够产生几百纳十的吸引力（可以通过降低周围湿度把这种力成小到10nN）。根据水层的厚度，这种表面效应发生在随同样品表面10-100nm的地方。一般轻敲模式可以减少表面吸引现象（振荡针尖可以打破水层而自由振荡）。为获得较好AFM图像需将针尖和样品完全浸人液体中，气-液界面的消失可以阻止表面吸引现象的发生。空气中依赖于实验条件，针尖作用在样品上的力可以小至几纳牛；而在溶液中进行AFM成像由于粘附力的消失，探针力通常可以达到纳牛级。针尖-样品原子间较弱的范德华吸引力主要发生在距离样品表面上方大约几个埃处。而只有当针尖和样品各自原子间存在库仑相互作用时，才说它们是“接触”的。此时，针尖和样品原子中电子间的相互排斥阻止了针尖和样品间的进一步相互作用。原子（范德华吸引力）、电和磁相互作用的比较：（文字：P130下；）比较与原子、静电和静磁非接触有关的相互作用能、力和力导数是十分有益的。因为在许多情况下，两种甚至全部三种相互作用是同时存在的。对于这三种相互作用可共同采用的最简单针尖模型是半径为R，与样品距离r的一个球状针尖。对于原子和电相互作用，样品采用一半空间被束缚的巨大无限平坦的表面作为模型。图3-2 随距离变化的力 （P132图4.11）图3-3 随距离变化的力导数（P132图4.11）3、力和力梯度检测的基本原理力检测：目前，已经有几种不同检测针尖样品相互作用的技术。最简单的是通过测量悬臂的静态变化来测量力。（文字：P33上）通过检测在该力作用下微悬臂的弹性形变量dz，就可根据微悬臂的弹性系数k和等式（Hooke定律）：F=k*dz，直接求出作用力F。力梯度检测:对于长程力，通过振荡悬臂并测量共振频率的变化可获得更好的灵敏度。这种AC检测方法对应的就是力梯度。如果有空间变化力存在（也就是力梯度存在），根据Ceff=c-f1，悬臂的有效弹性系数就会发生变化，从而引起共振频率的变化。=0（1-F/2c）图3-4 共振检测原理（P159图6.3）4、微悬臂的制备：对SFM微悬臂可分以下两个方面进行阐述，（l）微悬臂的制备；（2）微悬臂形变的检测。（文字：P33-P35）为制备出合适的进悬臂必须考虑一些重要的设计要求。为测量较小的力，悬臂弹性系这就必须尽可能的小。而是微悬臂低弹性系数的极限则是由热激振动决定的。如果在弹性系数为k，采用均分法则，那么热振动第一本征态的根根类似于简单的简谐振子。若已知弹性系数为0.01Nm的悬臂在室温下的热激振幅是6.4A。如果探测在针尖与样品间的排斤为人吸引力，悬臂将被稳定化去稳定化，同时振幅显著降低/增加。假设排斥为梯度是一50N/m，那么热振动将从64A降低到0.1A。那么计算得到的k约为1000Nm。这样大的弹性系数，虽然可以避免悬臂的不稳定性，但力分辨率很差。较软悬臂（小k）虽然增加了仪器对力的灵敏度，然而对于接触模式操作，针尖样品相互接近时很容易发生碰撞，引起损坏。对于小k，悬臂应当是软、薄和长的；而具有大k的悬臂应当是硬、厚和短的。同时这些需求必须同高共振频率的要求相一致。为保持较高共振频率，降低弹簧常数就需要减少悬臂的质量而归悬臂应当是刚性的、薄的、轻而短的。因此，相应的就要求悬臂的空间同寸必须尽可能的小。（文字：陈P308-P309）图3-5 制备工艺图图3-6 悬臂的照片 本节中 对悬臂与si4N3针尖一体制备的方法作简介(Albrecht等1990）。图3一5所示其步骤如下：1 用光刻方法在Sio2膜上腐蚀出一个十方形窗口；2 用KOH溶液通过窗口把硅片的暴露部分作刻蚀；3去掉Sio2保护膜；4硅片淀积上Si3N4运用光刻方法形成悬臂的形状；5 用阳极键台的方法粘上一片玻璃作为载体 在玻璃上与悬臂相对应的那部份面积涂Cr保护层；6去掉玻璃的不需要部份以及所有剩余的Si；7 硅片切成小片每一小片是一个小玻璃块好几个悬臂附在它 的边上。5、微悬臂的形变检测方式：隧道电流法：（文字：P68-69）图3-13 隧道电流法（陈P311-图15.4）电容检测法：（文字：P69）图3-14 电容检测法（白扫描P98-图5.6）光干涉法：（文字：P69-P70）图3-15光干涉法（白扫描P99-图5.7）激光束形变法：（文字：P70中）图3-16激光束形变法示意图 （OK）微悬臂的形变检测方式的比较：图3-17微悬臂的形变检测方式的比较（P71 表2.4）6、关于力-距离关系的进一步讨论A、水蒸气和吸附膜（文字：P212-P213）大多数实验室里，周围空气的相对湿度一般都是30一50，很容易引起样品表面吸附有水膜。在悬臂针尖接近样品表面过程中，水会在针尖周围形成一个凹面。利用Kelvin等式计算可知，这样一个凹面的曲单半径一般在纳米量级。只有相对湿度降低到l时，凹面曲车半径才保持在原子尺寸。然而，在此条件下不能确定经典Kelvin等式是否可在原子水平上应用。吸附液体股存在对力曲线流量有很大影响。已有研究利用针尖一样品分离过程中，出现毛细力时检测得到的力曲线对液体膜厚度进行了测量。在上述条件得到的典型力曲线示于图5-1。很容易测出液体股厚度大约是9nm。而毛细力的影响可能更小一些，不容易被检测到。目前还不清楚，在液体膜较厚条件下得到的典型力曲线是否也适用于具有原子尺度曲率半径的凹面膜。 接触模式成像过程中，液体膜存在对大尺度形貌成像影响不是很大，因此可以不考虑。然而，对于高分辨率成像则不同，物理和化学吸附液体分子的存在有可能影响成像机理。由于对成像机理还不充分理解，很难估计出液体膜对成像机理的影响是有利的还是不利的，以及这种影响的程度有多大。 对于非接触模式成像过程，如果液体膜在样品上的分布是不均匀的，样品的表面能就会变化。因此采集图像时，表面力的影响将与真实的形貌相耦合。 一般来讲，任何表面吸附物都有可能影响测量，特别是当它们影响样品表面能量时。换句话说，这些变化可以改变范德华相互作用，改变表面的双电常数，降低粘附性以及影响小刻压强度下测量的弹性模量。至于液体膜，吸附诱导对大尺度接触摸式形貌成像的影响是很小的。然而，对于高分辨接触模式成像、非接触模式成像或力测量过程，吸附物则能够改变样品的测量性质。 正因为农膜和其他吸附物存在产生的困难，定量FM测量需要在精确控制的环境中进行，理想的条件是在UHV体系中。B、表面力：（文字：P217） 表面力在图像解释上是很重要的。即使在悬臂受到任何外力之前，表面力也可单独产生很大的接触面积；而且接触面积的大小同针尖和样品的力学性质有关。在假定AFM图像分辨率是由针尖和样品间接触面积决定的前提下，为正确解释接触模式图像，需要考虑表面力和机械力学性质。而在非接触模式成像过程中，如果表面力随着表面化学性质的变儿而逐点发生变化，那么检测到的图像将是形貌和表面力的藕合。 接触模式成像比非接触模式成像具有更高的分辨率，然而有可能使针尖或样品变形或损坏。表面力单独产生的负载可在针尖下产生非常高的压力。例如，通过最大吸引力或粘附力除以接触圆面积可以得到零负载条件针尖下的平均压力。对于根据SEM确定半径的针尖，在Al2O3样品上可产生300Mpa压力，聚四氯乙烯对应的则为4MPa。针尖或样品上一些小的起伏会增加给定负载下的平均压力。尤其在成像柔软样品时，应当考虑这些压力。另外，较高粘附力能够在样品和针尖间转移材料，而且任何悬臂的不稳定性都将加速针尖进人样品，增加损坏的可能性。 针尖下的压力和变形及针尖-样品间的粘附作用，可以通过选择适当环境进行实验来有效降低。样品暴露在空气或气体中，可以降低表面能和粘附能，但样品有时会被污染。样品和悬臂也可以放置在液体中，此时减少了表面力相互作用（这里必须整个悬臂浸人液体，否则凹面影响将增加相互作用）。双电常数高的液体可以减少范德华力，增加电容相互作用。有些情况下，范德华相互作用也可以是排斥的，所有这些相互作用都能够用来降低针尖-样品相互作用，以便允许进行形变很小非破坏性的接触。C、力曲线（文字：P100-101）图3-12 有水膜存在时的典型力-距离曲线（P102图3.10）（文字：P213-P216）图3-13 实验获得的力-距离曲线（P216）D、跳跃接触（文字：P91-P93）图3-14 跳跃接触示意图 （P92图3.6） 四、几种常见的SPM1、原子力显微镜（AFM）a,斥力模式原子力显微镜（文字：陈P306）图4-1 AFM示意图（陈P307图15-1）b,摩擦力显微镜：（文字：P139-P140）图4-2 LFM示意图（P139图5-1）图4-3 LFM图像（P419图5-2）2、磁力显微镜（MFM）a,MFM概述（文字：P151）（文字：P154-P156）MFM与其它技术的比较： 对磁性材料进行成像的技术有许多，有些已经很完善，也有一些像MFM一样刚刚发展起来的。这些技术中，都需要由磁颗粒、光或电子组成的探针。 其中每种技术都有自己的优势和缺点，决定了它们最适合的应用范围。 最早也许也是最简单的畴观察方法是Bitter模型技术，利用磁胶体颗粒（通常是Fe3O4）聚集在畴壁漏磁场梯度内的特点。一般利用光学或电子显微镜来观察得到的粉末模型结构。虽然这项技术受颗粒人小和数目统计上的限制但它仍然是一有力的技术手段。由于该技术显著的简易性，已经使其在畴成像领域具有很重要地位。 MFM与Biter技术有许多相同之处，都是使用磁性探针而且响应的也是相类似的力。但是，二者也有许多显著的不同。首先，MFM信号的电子特性使其能更好的观察到样品漏磁场的精细梯度，结果也更适合于定量分析。此外，通过控制针尖磁化状态可以帮助人们获得温磁场的矢量信息。 另一传统而有效的畴成像技术是Kerr显微镜，利用的是磁光效应。样品经线性偏振光照射，与样品磁化结构相互作用后，偏振光万向会发生旋转，观察则即可以是透射（Faraday效应）方式也可以是反射（Kerr效应）方式。偏振光的旋转直接与样品的磁化强度和方向有关。然而，由于偏振图像经常与样品形貌发生干涉，图像中信号很弱，反差很低。调节样品的磁化方向或差减样品饱和时得到的背景，进行不同的比较测量，可以获得好的信噪比。该技术的优点是能够快速得到图像，也可以进行动态研究。Kerr显微镜已经广泛应用到田化方向很容易被改变的软磁材料和磁畴方向旋转角度较大的磁光记录介质的研究。遗憾的是分辨率受光学分辨率的限制，为获得更高分辨率，需要采用其他成像方法。Lorentz显微镜和全息术是利用电子探测磁结构的技术。这些技术观察的是由于洛舍兹力或其他等同力所引起的电子轨迹变化，以及磁矢量势存在引起的量子力学相的变化。它们可以作为透射电子显微镜（TEM）的补充手段。普遍使用的Foucaultt和Fresnel模式的洛仑兹显微镜能够提供关于磁畴、薄膜中的畴壁以及精细微格结构的主要定量信息。利用更精细差分相反差模式的成像技术或电子全息术，可以获得更多的定量信息。虽然这些技术能很容易达到几十纳米的分辨率，但透射技术却要求样品必须是透明的，而且要非常薄（通常小于llnm）。目前新发展起来的扫描电子显微镜（SEM）与极化分析（SEMPA）相结合技术也是利用电子来探测区结构它具有很高的横向分辨率。这项技术利用的是铁磁样品散射的二次电子，这些二次电子具有与共价电子总净自旋密度有关的自旋极化特性。这样，利用二次电子极化可以对SEM电子束探测面积内的磁化强度和方向进行直接测量，而且极化测量与常规SEM形貌图位可以同时获得。因为二次电子是从金属表面0.5一1.5nm深处散射的，这个方法具有非常高的表面灵敏度；但样品表面必须非常清洁而且要求在UHV中进行。理论上横向分辨率受电子探针直径限制，一般是几纳米。目前，已经得到了具有零点几纳米分辨率的SEMPA图像。SEMPA可以直接测量样品磁化强区和方向，是一非常有力的技术手段。形貌因素可以完全从测量中排除同时还可以利用俄歇电子完成化学分析。它的主要缺点是信噪比较低，仪器构达复杂。由于产生、收集和分析二次电子的效率及计数率很低，因此需要很长时间来得到高反差的图像。清洁样品、去除非磁性覆盖物并在UHV中操作的需求使得这项技术设有MFM等其他技术方便。然而，利用这项技术特殊的稳定，可以高分辩地直接测量样品的磁化特性。b,基本原理：（文字：P152）图4-4 磁力显微镜工作原理示意图（P153 图6.1）Interleave技术：（文字：P154中）图4-5 Interleave技术示意图（P154 图6.2）c,磁力测量技术：（文字：P157标题，P161）MFM是一特殊技术，通常称为非接触摸式力显微镜。非接触力显微镜与接触模式AFM有基本相同的机械组成。主要部分有：l）安置在柔性悬臂上的尖锐针尖；2）检测悬臂形变的位置灵敏探测器；3）通常是由压电陶瓷制成的扫描系统，使得针尖与样品产生相对移动；4）保持针尖一样品间相互作用力恒定的反馈体系；5）图像显示系统。悬臂针尖可以对铁磁线图进行刻蚀而单个制备，或者利用加工或薄膜技术来批量制备，即在AFM针尖表面覆涂磁性薄膜。形变传感器则可以利用光、电子隧道、电容或压电等方法对力或力梯度进行检测。d,磁力探测器：（文字：P164，P165上） 任何力显微镜最重要部分都是力探测器具有尖锐针尖的柔软悬臂。在MFM研究发展的最初几年中 主要是对MFM针尖的不断发展和完善。MFM中，由于测量的磁性相互作用力是相当小而且是长程的，这就要求MFM力探测器必须具备一定特性。 首先，悬臂弹性系数的选择应考虑为灵敏度和最小针尖样品间距等因素。较软悬臂虽然能够增加灵敏度但是当针尖与样品相互作用力梯度超过弹性系数时，针尖撞到样品的可能性很大，从而损坏针尖和样品。当范德华力和其他力（磁、静电等）存在时，选择针尖样品间距最小可以避免上述情况。MFM中所使用悬臂的弹性系数大多在0.110N/m范围之间。 另外MFM力探测器需要具备高共振频率的性质，以确保悬臂对声噪音和外界振动不灵敏。为同时获得低弹性系数和高共振频率，可以通过将悬臂变小来降低悬臂质量，不同制备方法得到的悬臂一般是几百微米长，厚度0.1-10um。 为了对磁相互作用有较高灵敏度，MFM力探测器针尖应当具有足够大的磁矩，得到好的信降比；而获得高空间分辨率则需要降低针尖的漏磁场并了解针尖磁特性。磁性探针的磁特性是决定MFM实验分辨率和灵敏度最关键的因素之一。理想MFM力探测器应是一个小（-10nm）的单畴颗粒作为针尖装在非磁性悬臂上。利用定域熔化技术已经制得了一些较大的球形颗粒，但这样的力探测器还没有到达实用阶段。e,MFM的分辨率及图像干扰分辨率：（文字：P169中下）分辨率是指成像系统区分两个相近物体的能力。在实际中，分辨率则定义为给定样品中最小可观察的磁结构。许多研究结果证实:MFM横向分辨率取决于针尖的几何形状、大小及样品与扫描针尖间距。为获得高的横向分辨率，针尖的体积应尽量小而不应仅仅是针尖的曲率半径最小，并且使针尖尽量接近磁样品表面。在缩短针尖与样品间距时，应考虑磁针尖有自己的漏磁场与样品很接近时，有可能改变样品的磁结构。磁力与其它作用力的比较：（文字：P181）图4-6 力梯度与距离的关系（P181图6.10） 利用磁性相互作用与其他作用力相比的长程特性，可以检查测量信号是否是磁性作用力占主导。在小间距时,范德华力相互作用占主导地位，使得测量的信号对形貌影响非常灵敏。而在较大间距，磁相互作用在总信号中占更大的比例，这样减少了形貌的影响。在较大的针尖-样品间距情况下，采用恒为梯度模式，斜宰导致图像中磁特征的绝对高度增加。虽然这个与Z有关的反差并不能将磁性和形貌影响真正的分开，但确实提供了一定的依据。f, MFM的应用与展望：(文字：P182，P192)磁记录体系；磁性薄膜；磁畴壁的观察；有机铁磁体和生物分子；纳米磁畴结构3、静电力显微镜（EFM）原理：图4-7 EFM原理（P200）（两个导电平板）（文字：P200公式）实验技术：电场梯度检测；表面电势检测；（文字：P204-P206） 电力显微镜成位方式有两种：电场梯度成像和表面电势成像。电场梯度成像技术相对比较简单一些测量的是样品电场变化。作品可以是导体、非导体或是半导体。因为表面形貌信息可能与电场电场梯度混合在一起，所以对于较大起伏变化的形貌特征很难与电场变化区分开来。一般来讲，电场梯度成像最适用于表面上有大约IV左右电压、表面形貌相当平滑或是具有捕获电荷的样品。导电区域上都具有绝缘层的样品出也非常适合电场梯度成像。 表面电势成像测量的是样品有效表面电压。测量过程中调节针尖电压，使针尖与样品之间有最小电力（此时，针尖和样品上的电压应当是相同的）。对于表面电势测量，样品必须具有至少土1v的等价表面电压，其中土5v电压范围最容易操作。这项技术的噪音水平低于几毫伏。样品既可以有导电区域也可以包括非导电区域，但是非导电区域更有利于实验测量。样品上不同材料组成的区域也会显示出由于接触势不同而产生反差。如果系统已经在已知电压样品上仔细校正后，那么就可以对未知样品进行半定量电压测量。 每一类电场测量技术都是基于Liftmode成像测量。Liftmode可以成像力作用相对较弱，然而是长程的磁性和静电相互作用，并目减少形貌的影响。每一条扫描线上都进行两次测量（每一次又都包括trac和retrace）。首先，形貌数据是采用一般的轻敲模式获得；然后针尖提起一定高度进行扫描，保持针尖与定域表面形貌间距恒定进行第二次trace和retrace扫描。 除了检测的是静电力梯度之外，电场梯度成像类似于一般的MFM成像。电场梯度成像方法中，悬臂通过一个小压电晶片在其共振频率附近将其振动。任何额外力梯度都会引起悬臂共振频率发生变化。吸引力使悬臂变软，减小悬臂共振频率。相反，排斥为使悬臂变硬，增加共振频率。悬臂共振频率变化检测方法有几种：振幅、相位和频率调制。这些已在MFM中有详细介绍。所有上述三种方法都与样品垂直力梯度引起的悬臂共振频率变化有关系。4、弹道电子发射显微术（BEEM）原理：（文字：白扫描P111-P112）图4-8弹道电子发射显微术（BEEM）实验（白扫描P113-图5.22）5、扫描离子电导显微镜（SICM）原理：（文字：白扫描P123）图4-9 、扫描离子电导显微镜原理（白扫描P123-图5.30）6、扫描热显微镜原理：（文字：白扫描P124-125）图4-10 扫描热显微镜原理（白扫描P125-图5.32）7、光子扫描隧道显微镜原理：（文字：白扫描P127-128）图4-11光子扫描隧道显微镜原理（白扫描P128-图5.35）8、近场光学显微镜原理：（文字：白扫描P129）图4-12近场光学显微镜原理（白扫描P130-图5.36）五 商品化的SPM仪器的例子1、SPM生产厂家:Digital Instruments: 美国；工业应用SII： 日本；通用型，多功能omicron: 德国；超高真空，低温/变温NT-MDT: 俄罗斯；高真空，低温/变温PSIA:韩国；flat scanningMolecular Imaging: 美国； 磁力驱动/声学驱动；生物/电化学JEOL：日本；常规检测RHK：美国；只提供控制部件，无整机2、日本精工的SPM A、外形照片l SPA-3800N控制系统的外形 (图5-1)l SPA- 300HV主机的外形 (图5-2)l SPA- 300HV主机的正面照片 (图5-3)B、主要性能指标：分辨率：XY方向：0.2nm，Z方向：0.01nm；含液体成像单元，光学显微镜（150倍）；最大样品尺寸：25mm x 25mm x 10mm；最大扫描范围：20m x 20m(标准扫描器)；另购1m的STM扫描器头；环境控制：10-7Torr高真空，环境气氛控制；温度范围：-120 oC -300oC；C、主要功能AFM Function (AFM成像功能）DFM Function (DFM成像功能） 包括：非接触AFM、间歇接触AFM、相位成像KFMFriction Force Microscope(FFM)（摩擦力成像）Magnetic Force Microscope(MFM)（磁力成像）Vector Scan (向量扫描，纳米刻蚀功能)Force vs. Distance Curve(力曲线测量模式)AFM with Current Measurement Mode（AFM电流同时成像功能）AFM-CITS (AFM电流成像隧道谱功能)STM（扫描隧道显微镜）VE-AFM（粘弹性测量）；VE-DFM（粘弹性）LM-FFM（切向调制摩擦力）；KFM（表面电位势）3、SPM的测量所得到的图片1AFM功能，获得MICA原子分辨图像。图形见附图1； 2DFM功能图形见附图2； 3KFM功能,图形见附图3； 4LM-FFM功能,图形见附图4； 5VE-AFM功能,图形见附图5； 6VE-DFM功能,图形见附图6； 7STM功能，获得HOPG原子分辨图像,图形见附图7； 8AFM/电流功能,图形见附图8；9VECTOR SCAN功能,图形见附图9；10MFM功能,图形见附图10；11力曲线功能,图形见附图11； 12液体中测量功能,图形见附图12；13加热功能,图形见附图13a,13b,13c；14冷却功能,图形见附图14a,14b,14c；六 SPM的应用举例1、Sars的观察2、Scanning Probe Evolution in BiologyTwenty years ago the first scanning probe instrument, the scanning tunneling microscope, opened up new realms for our perception of the world. Atoms that had been abstract entities were now real objects, clearly seen as distinguishable individuals at particular positions in space. A whole family of scanning probe instruments has been developed, extending our sense of touching to the scale of atoms and molecules. Such instruments are especially useful for imaging of biomolecular structures because they can produce topographic images with submolecular resolution in aqueous environments. Instruments with increased imaging rates, lower