扫描探针显微镜技术及其应用课件

扫描探针显微镜技术及其应用

报告人：张智平导师：梁鑫淼研究员SeminarI扫描探针显微镜技术及其应用报告人：张智平Se1主要内容扫描探针显微镜的产生扫描探针显微镜的原理与特点扫描探针显微镜的应用存在的问题及其展望主要内容扫描探针显微镜的产生2扫描探针显微镜的产生的必然性1933年电子显微镜RuskaKnoll透射电子显微镜扫描电子显微镜场电子显微镜场离子显微镜低能电子衍射光电子能谱电子探针表面结构分析仪器的局限性扫描探针显微镜的产生的必然性1933年电子显微镜RuskaK3扫描探针显微镜的产生的必然性低能电子衍射和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电子显微镜和场离子显微镜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扫描探针显微镜的产生的必然性低能电子衍射和光学显微镜高分辨透4纳米科技突飞猛进的发展扫描探针显微镜的产生的必然性Dendrimer-likeGoldNanoparticle[3]

BiomolecularRecognitiononVerticallyAlignedCarbonNanofibers[1]

ε-Conanocrystalscoatedbyamonolayerofpoly(acrylicacid)-block-polystyrene[2]DNATranslocationinInorganicNanotubes[4]Diameter-DependentGrowthDirectionofEpitaxialSiliconNanowires[5]纳米科技突飞猛进的发展扫描探针显微镜的产生的必然性Dendr5扫描探针显微镜的产生扫描隧道显微镜1982年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应用前景，被国际科学界公认为八十年代世界十大科技成就之一。扫描探针显微镜的产生扫描隧道1982年人类第一6扫描探针显微镜的产生扫描探针显微镜（SPM）扫描力显微镜（SFM）扫描近场光学显微境（SNOM）弹道电子发射显微镜（BEEM）原子力显微镜（AFM）

扫描隧道显微镜（STM）扫描探针显微镜的产生扫描探针显微镜扫描力显微镜（SFM）扫描7扫描探针显微镜的原理

当探针与样品表面间距小到纳米级时，按照近代量子力学的观点，由于探针尖端的原子和样品表面的原子具有特殊的作用力，并且该作用力随着距离的变化非常显著。当探针在样品表面来回扫描的过程中，顺着样品表面的形状而上下移动。独特的反馈系统始终保持探针的力和高度恒定，一束激光从悬臂梁上反射到感知器，这样就能实时给出高度的偏移值。样品表面就能记录下来，最终构建出三维的表面图[6]。

扫描探针显微镜的原理当探针与样品表面间距小到8扫描探针显微镜的特点1.分辨率高HM：高分辨光学显微镜；PCM：相反差显微镜；(S)TEM：（扫描）透射电子显微镜；FIM：场离子显微镜；REM：反射电子显微镜

横向分辨率可达0.1nm纵向分辨率可达0.01nm扫描探针显微镜的特点1.分辨率高HM：高分辨光学显微镜；P92、可实时地空得到实时间中表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构研究。

应用：可用于表面扩散等动态过程的研究。

扫描探针显微镜的特点3、可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整个表面的平均性质。应用：可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。

4、可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术，并且探测过程对样品无损伤。应用：适用于研究生物样品和在不同试验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超导机制、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。2、可实时地空得到实时间中表面的三维图像，可用于具有周期10扫描探针显微镜的特点5、配合扫描隧道谱，可以得到有关表面结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。

6、在技术本身，SPM具有的设备相对简单、体积小、价格便宜、对安装环境要求较低、对样品无特殊要求、制样容易、检测快捷、操作简便等特点，同时SPM的日常维护和运行费用也十分低廉。

扫描探针显微镜的特点5、配合扫描隧道谱，可以得到有关表面11扫描探针显微镜的特点分辨率工作环境

样品环境温度对样品

破坏程度检测深度扫描探针显微镜原子级(0.1nm)实环境、大气、溶液、真空

室温或低温

无

100μm量级

透射电镜点分辨(0.3~0.5nm)晶格分辨(0.1~0.2nm)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6~10nm高真空

室温

小

10mm(10倍时)

1μm(10000倍时)场离子显微镜

原子级

超高真空

30~80K有

原子厚度

相较于其它显微镜技术的各项性能指标比较

扫描探针显微镜的特点分辨率工作环境

样品环境温度对样品

破坏12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果.扫描探针显微镜的应用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，13扫描探针显微镜的应用近五年来CA上关于SPM的论文扫描探针显微镜的应用近五年来CA上关于SPM的论文14扫描探针显微镜的应用&呈现原子或分子的表面特性氧化锌薄膜的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&呈现原子或分子的表面特性氧化锌薄膜的A15扫描探针显微镜的应用&呈现原子或分子的表面特性乳胶薄膜的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扫描探针显微镜的应用&呈现原子或分子的表面特性乳胶薄膜的AF16a)STMimageoftheshort-rangeorderingofhead-to-tailcoupledpoly(3-dodecylthiophene)onhighlyorientedpyrolyticgraphite(20×20nm);b)calculatedmodelofpoly(3-dodecylthiophene)correspondingtotheareaenclosedinthewhitesquarein(a);c)three-dimensionalimageof3showingsubmolecularresolvedchainsandfolds(9.3×9.3nm2)[7]扫描探针显微镜的应用&呈现原子或分子的表面特性a)STMimageoftheshort-ran17扫描探针显微镜的应用&用于研究物质的动力学过程(a-c)Time-sequencedconstant-current(heightmode)STMimagesshowingthenucleationandgrowthofbenzenethiol(BT)moleculesatPt(Ⅱ)potentiostatedat0.15Vin0.1MHClO4[8]..扫描探针显微镜的应用&用于研究物质的动力学过程(a-c)T18扫描探针显微镜的应用&用于研究物质的动力学过程ContinuousAFMheightimagesofmelt-crystallizedpoly[(R)-3-hydroxybutyricacid](PH3B)thinfilmbefore(A)andduring(B-F)enzymaticdegradationbyPHBdepolymerasefromRalstoniapickettiiT1at20℃[9]扫描探针显微镜的应用&用于研究物质的动力学过程Continu19&检测材料的性能扫描探针显微镜的应用SchematicsoftheAFMexperiment.(a)TheAFMtipisbroughtintocontactwiththegraphiticaggregatelayeronthesurfaceofthesiliconsubstrate.(b)Duringtheapproachperiod,severalgraphiticaggregatesmaybecomeattachedtothetipthroughanetworkstructureandbestretchedduringthetipretraction.[10]&检测材料的性能扫描探针显微镜的应用Schematicso20扫描探针显微镜的应用&检测材料的性能a)STMimageofaSWCNTend(I=300pA,Vsample=546mV,45nm×319nm).b)scanningtunnelingspectroscopy(STS)dataontheleft-handsideofthedottedlinein(a).C)STSdataontheright-handsideofthedottedlinein(a).d)SimultaneouslyrecordedspatiallyresolvedSTSimage,Vstab=546mV,Istab=5300pAandVmod=510mV.[11]扫描探针显微镜的应用&检测材料的性能a)STMimage21扫描探针显微镜的应用SFMimagesofdouble-strandedDNA(dsDNA)adsorbedonagraphitesurfacemodifiedwithCH3(CH2)11NH2molecules.Manipulationwasperformedbybringingthetipincontactwiththesurfaceandmovingitinthedesireddirection,usinghomemademanipulationhardwireandsoftwire;(a)ds-plasmidDNAmoleculesasdeposited;(b)afterstretchingtwoofthemalongthearrows’(c)aftermanipulationofthesamemoleculesintotriangles;(d)seven-letterwordwrittenwithapolydispersesampleoflineardsDNA;(e)magnifiedviewofthesquaremarkedin(b);(f)magnifiedviewofthesquaremarkedin(c)[12].&通过显微镜探针可以操纵和移动单个原子或分子扫描探针显微镜的应用SFMimagesofdouble22扫描探针显微镜的其它应用微米纳米结构表征，粗糙度，摩擦力，高度分布，自相关评估，软性材料的弹性和硬度测试高分辨定量结构分析以及掺杂浓度的分布等各种材料特性失效分析: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生物应用: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，DNA成像和局部弹性测量硬盘检查:表面检查和缺陷鉴定，磁畴成象，摩擦力和磨损方式，读写头表薄膜表征: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扫描探针显微镜的其它应用微米纳米结构表征，粗糙度，摩擦力，高23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考察物质性质时，SPM空间分辨率较低获取数据速率较慢难以快速的控制原子，分子的结构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24[1]Baker,S.E.;Tse,K.-Y.;Hindin,E.;Nichols,B.M.;LasseterClare,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.;Yang,P.;NanoLett.,2005,5:1633.[5]Schmidt,V.;Senz,S.;Gosele,U.;NanoLett.,2005,5:931.[6]白春礼,<<扫描隧道显微术及其应用>>,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.;Bäuerle,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.;Ryan,A.;Gimzewski,J.K.;Friedlander,S.K.;NanoLett.,2004,4:2287.[11]Maltezopoulos,T.;Kubetzka,A.;Morgenstern,M.;Wiesendanger,R.;Appl.Phys.Lett.,2003,83:1011.[12]Severin.N.;Barber,J.;Kalachev,A.A.;Rabe,J.P.;Nano.Lett.,2004,4:577.参考文献[1]Baker,S.E.;Tse,K.-Y.;25谢谢大家!谢谢大家!26扫描探针显微镜技术及其应用

报告人：张智平导师：梁鑫淼研究员SeminarI扫描探针显微镜技术及其应用报告人：张智平Se27主要内容扫描探针显微镜的产生扫描探针显微镜的原理与特点扫描探针显微镜的应用存在的问题及其展望主要内容扫描探针显微镜的产生28扫描探针显微镜的产生的必然性1933年电子显微镜RuskaKnoll透射电子显微镜扫描电子显微镜场电子显微镜场离子显微镜低能电子衍射光电子能谱电子探针表面结构分析仪器的局限性扫描探针显微镜的产生的必然性1933年电子显微镜RuskaK29扫描探针显微镜的产生的必然性低能电子衍射和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电子显微镜和场离子显微镜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扫描探针显微镜的产生的必然性低能电子衍射和光学显微镜高分辨透30纳米科技突飞猛进的发展扫描探针显微镜的产生的必然性Dendrimer-likeGoldNanoparticle[3]

BiomolecularRecognitiononVerticallyAlignedCarbonNanofibers[1]

ε-Conanocrystalscoatedbyamonolayerofpoly(acrylicacid)-block-polystyrene[2]DNATranslocationinInorganicNanotubes[4]Diameter-DependentGrowthDirectionofEpitaxialSiliconNanowires[5]纳米科技突飞猛进的发展扫描探针显微镜的产生的必然性Dendr31扫描探针显微镜的产生扫描隧道显微镜1982年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应用前景，被国际科学界公认为八十年代世界十大科技成就之一。扫描探针显微镜的产生扫描隧道1982年人类第一32扫描探针显微镜的产生扫描探针显微镜（SPM）扫描力显微镜（SFM）扫描近场光学显微境（SNOM）弹道电子发射显微镜（BEEM）原子力显微镜（AFM）

扫描隧道显微镜（STM）扫描探针显微镜的产生扫描探针显微镜扫描力显微镜（SFM）扫描33扫描探针显微镜的原理

当探针与样品表面间距小到纳米级时，按照近代量子力学的观点，由于探针尖端的原子和样品表面的原子具有特殊的作用力，并且该作用力随着距离的变化非常显著。当探针在样品表面来回扫描的过程中，顺着样品表面的形状而上下移动。独特的反馈系统始终保持探针的力和高度恒定，一束激光从悬臂梁上反射到感知器，这样就能实时给出高度的偏移值。样品表面就能记录下来，最终构建出三维的表面图[6]。

扫描探针显微镜的原理当探针与样品表面间距小到34扫描探针显微镜的特点1.分辨率高HM：高分辨光学显微镜；PCM：相反差显微镜；(S)TEM：（扫描）透射电子显微镜；FIM：场离子显微镜；REM：反射电子显微镜

横向分辨率可达0.1nm纵向分辨率可达0.01nm扫描探针显微镜的特点1.分辨率高HM：高分辨光学显微镜；P352、可实时地空得到实时间中表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构研究。

应用：可用于表面扩散等动态过程的研究。

扫描探针显微镜的特点3、可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整个表面的平均性质。应用：可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。

4、可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术，并且探测过程对样品无损伤。应用：适用于研究生物样品和在不同试验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超导机制、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。2、可实时地空得到实时间中表面的三维图像，可用于具有周期36扫描探针显微镜的特点5、配合扫描隧道谱，可以得到有关表面结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。

6、在技术本身，SPM具有的设备相对简单、体积小、价格便宜、对安装环境要求较低、对样品无特殊要求、制样容易、检测快捷、操作简便等特点，同时SPM的日常维护和运行费用也十分低廉。

扫描探针显微镜的特点5、配合扫描隧道谱，可以得到有关表面37扫描探针显微镜的特点分辨率工作环境

样品环境温度对样品

破坏程度检测深度扫描探针显微镜原子级(0.1nm)实环境、大气、溶液、真空

室温或低温

无

100μm量级

透射电镜点分辨(0.3~0.5nm)晶格分辨(0.1~0.2nm)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6~10nm高真空

室温

小

10mm(10倍时)

1μm(10000倍时)场离子显微镜

原子级

超高真空

30~80K有

原子厚度

相较于其它显微镜技术的各项性能指标比较

扫描探针显微镜的特点分辨率工作环境

样品环境温度对样品

破坏38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果.扫描探针显微镜的应用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，39扫描探针显微镜的应用近五年来CA上关于SPM的论文扫描探针显微镜的应用近五年来CA上关于SPM的论文40扫描探针显微镜的应用&呈现原子或分子的表面特性氧化锌薄膜的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&呈现原子或分子的表面特性氧化锌薄膜的A41扫描探针显微镜的应用&呈现原子或分子的表面特性乳胶薄膜的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扫描探针显微镜的应用&呈现原子或分子的表面特性乳胶薄膜的AF42a)STMimageoftheshort-rangeorderingofhead-to-tailcoupledpoly(3-dodecylthiophene)onhighlyorientedpyrolyticgraphite(20×20nm);b)calculatedmodelofpoly(3-dodecylthiophene)correspondingtotheareaenclosedinthewhitesquarein(a);c)three-dimensionalimageof3showingsubmolecularresolvedchainsandfolds(9.3×9.3nm2)[7]扫描探针显微镜的应用&呈现原子或分子的表面特性a)STMimageoftheshort-ran43扫描探针显微镜的应用&用于研究物质的动力学过程(a-c)Time-sequencedconstant-current(heightmode)STMimagesshowingthenucleationandgrowthofbenzenethiol(BT)moleculesatPt(Ⅱ)potentiostatedat0.15Vin0.1MHClO4[8]..扫描探针显微镜的应用&用于研究物质的动力学过程(a-c)T44扫描探针显微镜的应用&用于研究物质的动力学过程ContinuousAFMheightimagesofmelt-crystallizedpoly[(R)-3-hydroxybutyricacid](PH3B)thinfilmbefore(A)andduring(B-F)enzymaticdegradationbyPHBdepolymerasefromRalstoniapickettiiT1at20℃[9]扫描探针显微镜的应用&用于研究物质的动力学过程Continu45&检测材料的性能扫描探针显微镜的应用SchematicsoftheAFMexperiment.(a)TheAFMtipisbroughtintocontactwiththegraphiticaggregatelayeronthesurfaceofthesiliconsubstrate.(b)Duringtheapproachperiod,severalgraphiticaggregatesmaybecomeattachedtothetipthroughanetworkstructureandbestretchedduringthetipretraction.[10]&检测材料的性能扫描探针显微镜的应用Schematicso46扫描探针显微镜的应用&检测材料的性能a)STMimageofaSWCNTend(I=300pA,Vsample=546mV,45nm×319nm).b)scanningtunnelingspectroscopy(STS)dataontheleft-handsideofthedottedlinein(a).C)STSdataontheright-handsideofthedottedlinein(a).d)SimultaneouslyrecordedspatiallyresolvedSTSimage,Vstab=546mV,Istab=5300pAandVmod=510mV.[11]扫描探针显微镜的应用&检测材料的性能a)STMimage47扫描探针显微镜的应用SFMimagesofdouble-strandedDNA(dsDNA)adsorbedonagraphitesurfacemodifiedwithCH3(CH2)11NH2molecules.Manipulationwasperformedbybringingthetipincontactwiththesurfaceandmovingitinthedesireddirection,usinghomemademanipulationhardwireandsoftwire;(a)ds-plasmidDNAmoleculesasdeposited;(b)afterstretchingtwoofthemalongthearrows’(c)aftermanipulationofthesamemoleculesintotriangles;(d)seven-letterwordwrittenwithapolydispersesampleoflineardsDNA;(e)magnifiedviewofthesquaremarkedin(b);(f)magnifiedviewofthesquaremarkedin(c)[12].&通过显微镜探针可以操纵和移动单个原子或分子扫描探针显微镜的应用SFMimagesofdouble48扫描探针显微镜的其它应用微米纳米结构表征，粗糙度，摩擦力，高度分布，自相关评估，软性材料的弹性和硬度测试高分辨定量结构分析以及掺杂浓度的分布等各种材料特性失效分析: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生物应用: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，DNA成像和局部弹性测量硬盘检查:表面检查和缺陷鉴定，磁畴成象，摩擦力和磨损方式，读写头表薄膜表征:孔隙率分析，覆盖率，附着