现代分析测试方法-STM

原子力显微镜AFM（原子间近距作用力）磁力显微镜

MFM（磁力-磁特性研究）静电力显微镜EFM（静电力—电特性研究）扫描探针显微镜分类扫描隧道显微镜STM（隧道电流）扫描力显微镜SFM（原子间相互作用力）

STM工作原理及仪器结构STM主要应用扫描隧道显微术STM基本原理：基于量子的隧道效应将原子线度的极细针尖和被研究物质的表面作为两个电极；利用压电陶瓷材料控制探针在样品表面扫描；当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于1nm），在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的绝缘层流向另一电极；隧道电流强度对针尖与样品表面之间距非常敏感，如果距离减小0.1nm，I将增加一个数量级。记录隧道电流的变化并把信号输入计算机进行处理；在荧光屏或记录仪上获得样品表面高分辨率信息；扫描隧道显微镜工作原理

STM恒电流模式：利用电子反馈线路控制隧道电流的恒定，并用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面的扫描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出了样品表面的起伏。具有原子级空间分辨率：平行和垂直于表面方向的分辨率分别可达0.1nm和0.01nm，即可以分辨出单个原子；可实时地得到在实空间中表面的三维图像：可以得到单原子层表面的局部结构，而不是体相的平均性质；因而可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构；可以直接观测局部的表面缺陷、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。可在真空、大气、溶液以及低温、常温、高温等环境中工作：非常有利于对表面反应、扩散等动态过程的研究；不需要特别的制样技术并且探测过程对样品无损伤：非常适用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价；配合扫描隧道谱（STS）可得到表面电子结构信息：如表面价电子轨道状态、表面电子陷阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等；扫描隧道显微技术特点主体：探针、试样台、防震台、扫描控制器件电子控制单元计算机控制数据采集和处理系统其它辅助系统（如CCD、超高真空系统等）仪器基本结构及关键器件P47—SPM—MDT多模式大气环境主体结构扫描隧道显微成像，原子力显微成像（接触和非接触），相位成像，侧向力成像，扫描电容成像，磁力显微成像，表面修饰（Lithography），力显微成像，扫描隧道谱，局部弹性和黏度测量，I（U,R,t)和(Z,R,t)的测量，SNOM近场光学显微成像；㈠数字化STM:全部操作微机控制—自动化程度高；㈡袖珍型STM：主体尺寸50mm×45mm—抗干扰能力强；㈢大视场STM：扫描范围nm×mm级—适合尺寸和表面起伏较大的样品;㈣电化学STM：在电化学溶液中进行实时研究—形貌及电化学过程;㈤低温STM：在液氦温度下得到高分辨图像—用于高温超导材料;㈥超高真空UHVSTM；可对表面结构、表面气体吸附等进行原子级研究;㈦SEM—STM联用：在SEM试样室内实现STM操作—适合非均匀试样;㈧OM—STM联用：在CCD摄象机监控下工作—适合非均匀试样及生物样;㈨多功能UHV-STM-LEED-AES联合系统：以STM为核心进行多种原位分析;扫描隧道显微镜主要类型及特点P7—SPMUHV—MDT超高真空低温STM

工作模式：STM，微弱电流STM，AFM（接触和非接触式），相位成像PhaseImaging，侧向力成像LFM，磁力成像MFM，电场力成像EFM，扫描电容成像SCM，表面修饰Lithography，扩散电阻成像SpreadingResistance；主要特点：可选单/双真空室，采用激光检测探针悬臂位移，可以使用普通AFM针尖，降低实验成本，CCD摄像机监视探针扫描过程，可在真空环境中更换样品和针尖；样品温度：300-500K或100-700K表面、亚表面原子结构及形貌信息分析；原子、分子操纵；纳米结构加工；纳米物质单元性能测定；扫描隧道显微镜主要应用领域Spider-likedefectoncleavedHOPGsurface.0.25x0.25µmscan(s)size.Mode:STMTopography(I=const)

STMatomicresolutiononHigh-OrientedPyrolyticGraphite.Mode:

STMTopography(I=const)SuperstructureonthesurfaceofoxidizedHOPG.SampleofHOPGwasannealedinairat700oCduring3minutes.Mode:STMTopography(I=const)STMimageofParvoVirusonHOPG.64x64nm.Mode:STMTopography(I=const)中国科学院化学研究所的科技人员利用自制的扫描隧道显微镜，在石墨表面上刻蚀出来的图象。图形的线宽实际上只有10nm。基本原理；通过探测原子间相互作用力获取物体表面信息；压电陶瓷管带动样品在力敏弹性微悬臂下扫描；利用隧道电流法、激光束偏转法等来监测微悬臂的位移—测定微悬臂形变量，得出微悬臂尖端处的原子与试样表面原子间作用力；在反馈系统作用下，通过扫描过程中保持作用力恒定，测得探针对应于扫描各点位置的变化；或者保持探针高度守恒，测得扫描各点探针、样品间相互作用力的变化即可获得样品表面信息。原子力显微镜工作原理LaserSampleXYZPiezoelectricScannerPositionSensitivePhotodiodeMirrorTipCantilever激光束偏转法：在微悬臂背面加反射镜及增加二元位置灵敏光电二极管—将激光束聚焦在微悬臂背面的镜面上，当微悬臂的针尖在样品表面扫描时由于表面各处的性质不同，相互斥力也不同，导致反射光的偏转量不同，用一个二元的位置灵敏光电二极管测出经放大后的不同反射光偏转量，即可得到对应的试样表面形貌；微悬臂形变的检测—激光束偏转法主体：微悬臂、试样台、防震台、扫描控制器件电子控制单元计算机控制数据采集和处理系统其它辅助系统（如CCD、控制气氛、超高真空系统等）仪器基本结构及关键器件接触模式—力调制模式半接触模式—轻敲模式非接触模式—插行扫描模式力曲线模式AFM基本操作模式SFMimageofMicaatomiclattice.6x5nmMode:ContactAFM(F=const)AFMimageofmonolayerstepsonSi(111)surface.572x651nmMode:ContactAFM(F=const)

SFMimageofthesurfaceofintegratedcircuit.52x48µmMode:ContactAFM(F=const)Livehumanembryofibroblast(primaryculture)inbuffersolution.

Imageisobtainedincontactmodeinliquid.

Mode:ConstantForcemodeScansize:55x55x2.0

µmForceModulationimageoftwo-componentLB-film

Scansize:2.5x2.5umAFMimageofCDStamper.RoughnessonTop(Sa)=2,291nm.RoughnessonBottom(Sa)=3,268nm.15.8x15.3µmscan(s)size.Mode:Resonantmode(Topography)(f=378.6kHz)SFMimageofdiamond-likefilmonglass.286x280nmMode:Resonantmode(Topography)Topography(left)andphaseimage(right)接近，但未接触跳跃接触接触粘附脱离原子级表面形貌信息：绝缘体/半导体/导体/生命体；实环境、实时检测：生理环境—nm级分辨率；三维空间定量：精确测定纵向(高度)值;物质的组成研究：力调制技术及相位成像技术；纳米尺度的物性测定：力曲线技术；纳米加工技术；

原子力显微镜的应用前景AFMOxidationLithography阐述定域化学和机械性质：微悬臂形变量与微悬臂的弹性系数乘积得到AFM探测力—具有pN数量级上的力灵敏度；测量基本力：涉及物理、化学、材料科学和许多其他原理的表面间基本相互作用力—粘附力、弹力、摩擦力等；例如不同体系间的吸引范德华力和吸引/排斥静电力的本质（金属探针—绝缘云母表面；绝缘探针—绝缘体；）生物体系应用：生物物质上进行纳米机械测量（如粘弹力）—键断裂强度或长度；血细胞体系的结构和动力性质；细胞粘附分子的结合强度；药物反应；材料科学应用：纳米级机械性质—薄膜和聚集体纳米尺度机械性质；纳米刻压和粘附性、弹性、摩擦性质—高聚物和有机膜；压痕和塑变—金属、半导体表面的刻压和微机械；力曲线分析技术的应用研究进展：DNA、蛋白质、聚合物、碳纳米管等较大的分子—尺度较大，量子力学的波粒二相性很小；单分子力谱：揭示聚合物和生物分子特性—将待研究的生物分子固定到AFM针尖或基底上，利用针尖对其进行受控拉伸，通过测定力谱（力曲线）研究外力作用下单个分子的力学性能；单分子反应性质：个性反应性质—对化学反应规律（大量分子反应的统计结果）的本质研究；如生理环境下直接观察生物分子生物活性条件下的形态和功能—生命过程跟踪；单原子与单分子操纵：实环境下在原子尺度上构造结构—搬动、弯曲、剪切生物分子等—研究分子的各种物理化学性质或构建特殊纳米器