第三章 扫描探针显微技术

1、原子结构分析新技术原子结构分析新技术n扫描探针显微镜的产生扫描探针显微镜的产生n扫描探针显微镜的原理与特点扫描探针显微镜的原理与特点n扫描探针显微镜的应用扫描探针显微镜的应用n存在的问题及其展望存在的问题及其展望Dendrimer-like Gold Nanoparticle3 Biomolecular Recognition on Vertically Aligned Carbon Nanofibers1 -Co nanocrystals coated by a monolayer of poly(acrylic acid)-block-polystyrene 2DNA Translocat

2、ion in Inorganic Nanotubes4Diameter-Dependent Growth Direction of Epitaxial Silicon Nanowires5） 1. SPM的基本原理 隧道电流是间距的指数函数；如果针尖与样品间隙（级尺度）变化10%，隧道电流则变化一个数量级。 STM的针尖样品相互作用示意图STM两种扫描模式 n恒定高度模式检测隧道电流变化 n恒定电流模式检测高度变化n两种模式各有利弊。恒高模式扫描速率较高，因为控制系统不必上下移动扫描器，但这种模式仅适用于相对平滑的表面。恒电流模式可以较高的精度测量不规则表面，但比较耗时。原子力显微镜的原理原子

3、力显微镜的原理 原子力显微镜的结构原子力显微镜的结构n针尖和样品表面间的力导致悬臂弯曲或偏转。n当针尖在样品上方扫描或样品在针尖下做光栅式运动时，探测器可实时地检测悬臂的状态，并将其对应的表面形貌像显示记录下来。造成造成AFM悬臂偏转的力悬臂偏转的力n范德瓦尔斯力。n毛细力。由于通常环境下，在样品表面存在一层水膜，水膜延伸并包裹住针尖，就会产生毛细力，它具有很强的吸引（大约为10-8N）。n范德瓦尔斯力和毛细力的合力构成接触力。其它其它SPM技术技术磁力显微技术磁力显微技术n磁力显微技术（MFM）可对样品表面磁力的空间变化成像。nMFM的针尖上镀有铁磁性薄膜，系统工作在非接触模式，检测由随针样

4、间隙变化的磁场引起的悬臂共振频率的变化n力调制显微术（力调制显微术（FMM）nAFM针尖以接触方式扫描样品，将一周期信号加在针尖或样品上，由此信号驱动产生的悬臂调制振幅随样品弹性而变。 n静电力显微技术（静电力显微技术（EFM）n静电力显微技术（EFM）显示出样品表面的局部电荷畴结构。n在针尖与样品之间施加电压，当悬臂扫描至静电荷时，悬臂偏转。扫描探针显微镜的特点扫描探针显微镜的特点 HMHM：高分辨光学显微镜；：高分辨光学显微镜；PCMPCM：相反差显微镜；：相反差显微镜；(S)TEM(S)TEM：（扫描）透射电子显微镜；：（扫描）透射电子显微镜；FIM：场：场离子显微镜；离子显微镜；REM

5、：反射电子显微镜：反射电子显微镜 可达可达 2、 。扫描探针显微镜的特点扫描探针显微镜的特点扫描探针显微镜的特点扫描探针显微镜的特点扫描探针显微镜的特点扫描探针显微镜的特点 透射电镜点分辨(0.30.5nm)晶格分辨(0.10.2nm) 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610nm 高真空 室温 小 10mm (10倍时)1m (10000倍时) 场离子显微镜 原子级 超高真空 3080K 有 原子厚度 扫描探针显微镜的应用扫描探针显微镜的应用18018224126731920002001200220032004扫描探针显微镜的应用扫描探针显微

6、镜的应用近五年来近五年来CA上关于上关于SPM的论文的论文扫描探针显微镜的应用扫描探针显微镜的应用氧化锌薄膜的AFM图(单位：nm)氧化锌颗粒的颗粒比例图（a）和粒度分布图（b）扫描探针显微镜的应用扫描探针显微镜的应用乳胶薄膜的AFM图(A)和三维立体图(B) (单位:nm)AB有严重缺陷(A)和较为完美(B)的高分子镀膜（单位:nm)AB a)STM image of the short-range ordering of head-to-tail coupled poly(3-dodecylthiophene) on highly oriented pyrolytic graphite (

7、20 20nm); b)calculated model of poly(3-dodecylthiophene) corresponding to the area enclosed in the white square in (a); c) three-dimensional image of 3 showing submolecular resolved chains and folds (9.39.3nm2)7扫描探针显微镜的应用扫描探针显微镜的应用扫描探针显微镜的应用扫描探针显微镜的应用(a-c) Time-sequenced constant-current(height mode

8、) STM images showing the nucleation and growth of benzenethiol (BT) molecules at Pt( ) potentiostated at 0.15V in 0.1M HClO48.扫描探针显微镜的应用扫描探针显微镜的应用Continuous AFM height images of melt-crystallized poly(R)-3-hydroxybutyric acid (PH3B) thin film before (A) and during (B-F) enzymatic degradation by PHB

9、depolymerase from Ralstonia pickettii T1 at 20 9扫描探针显微镜的应用扫描探针显微镜的应用Schematics of the AFM experiment. (a) The AFM tip is brought into contact with the graphitic aggregate layer on the surface of the silicon substrate. (b) During the approach period, several graphitic aggregates may become attached t

10、o the tip through a network structure and be stretched during the tip retraction.10扫描探针显微镜的应用扫描探针显微镜的应用a) STM image of a SWCNT end (I=300 pA, Vsample=546 mV, 45 nm 319 nm). b) scanning tunneling spectroscopy(STS) data on the left-hand side of the dotted line in (a). C)STS data on the right-hand side

11、 of the dotted line in (a). d) Simultaneously recorded spatially resolved STS image, Vstab=546 mV, Istab=5300 pA and Vmod=510 mV.11扫描探针显微镜的应用扫描探针显微镜的应用SFM images of double-stranded DNA (dsDNA) adsorbed on a graphite surface modified with CH3(CH2)11NH2 molecules. Manipulation was performed by bringin

12、g the tip in contact with the surface and moving it in the desired direction, using homemade manipulation hardwire and softwire; (a)ds-plasmid DNA molecules as deposited; (b)after stretching two of them along the arrows (c) after manipulation of the same molecules into triangles; (d)seven-letter wor

13、d written with a polydisperse sample of linear dsDNA; (e)magnified view of the square marked in (b); (f)magnified view of the square marked in (c) 12.扫描探针显微镜的其它应用扫描探针显微镜的其它应用: : 缺陷识别，电性测量（甚至可穿过钝化层）和缺陷识别，电性测量（甚至可穿过钝化层）和键合电极的摩擦特性键合电极的摩擦特性: : 液体中完整活细胞成象，细胞膜孔隙率和结构液体中完整活细胞成象，细胞膜孔隙率和结构表征，生物纤维测量，表征，生物纤维测量，

14、DNADNA成像和局部弹性测量成像和局部弹性测量: : 表面检查和缺陷鉴定，磁畴成象，摩擦力和磨表面检查和缺陷鉴定，磁畴成象，摩擦力和磨损方式，读写头表损方式，读写头表: : 孔隙率分析，覆盖率，附着力，磨损特性，纳孔隙率分析，覆盖率，附着力，磨损特性，纳米颗粒和岛屿的分布米颗粒和岛屿的分布存在的问题及其展望存在的问题及其展望借助其它技术手段在，难以绝对定量物质的性质借助其它技术手段在，难以绝对定量物质的性质考察物质性质时，考察物质性质时，SPM空间分辨率较低空间分辨率较低获取数据速率较慢获取数据速率较慢难以快速的控制原子，分子的结构难以快速的控制原子，分子的结构1 Baker, S. E.;

15、 Tse, K.-Y.; Hindin, E.; Nichols, B. M.; Lasseter Clare, T.; Hamers, R. J.; Chem. Mater., 2005, 17:4971. 2 Liu, G.; Yan, X.; Lu, Z.; Curda, S. A.; Lal, J.; Chem. Mater., 2005,17:4985.3 Pang, S.; Kondo, T.; Kawai, T.; Chem. Mater., 2005, 17:3636.4 Fan, R.; Karnik, R.; Yue, M.; Li, D.; Majumdar, A.; Y

16、ang, P.; Nano Lett., 2005, 5:1633. 5 Schmidt, V.; Senz, S.; Gosele, U.; Nano Lett., 2005, 5: 931. 6 白春礼, 上海科技出版社, 1992.7 Meba-Osteritz, E.; Meyer, A.; Langeveld-Voss, B.M.W.; Janssen, R.A.J.; Meijer, E.W.; Buerle, Angew. Chem. Int. Ed., 2000, 39:2679.8 Yang, Y.-C.; Yen, Y.-P.; Yang, L.-Y. O.; Yau, S.-L.; Itaya, K.; Langmuir, 2004, 20:10030.9 Numata, K.; Hirota, T.; Kikkawa, Y.; Tsuge, T.; Iwata, T.; Abe, H.; Doi, Y.; Biomacromolecules, 2004, 5:2186.10 Rong, W.Z.; Pelling, A. E.; Rya