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扫描探针显微镜（SPM）¬——探索纳米世界的利器

§1.1.1 SPM概述

表面科学在最近25年来的最重大的进展之一是IBM公司苏黎世实验室的    G. Binnig博士及其同事们于1982年共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器——基于电子隧穿效应和隧道电流检测的扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope, STM），其后又于1986发展出一套能侦测探针与样品间的范德华力 (van der Waals force )的原子力显微镜(Atomic Force Microscopy，AFM)。AFM和STM的仪器原理有相似之处，都是由探针、信号检测系统和反馈－执行系统组成，但是两者的根本性区别在于STM是检测针尖与样品之间的隧道电流，而AFM则是检测针尖与样品表面原子之间的范德华力。此后，科学家们又以AFM为基础陆续发展了一系列与AFM工作原理相似的新型显微镜技术，例如侧向力显微镜（Lateral Force Microscope, LFM）、静电力显微镜（Electrostatic Force Microscopy，EFM）、磁力显微镜（Magnetic Force Microscopy，MFM）、化学力显微镜（Chemical Force Microscopy，CFM）等，可测量的表面性质也越加广泛。这些显微镜技术原理上都是检测探针与样品之间的作用力，所不同的主要是使用不同性质的探针从而能够检测针尖与样品间的静电力、磁力以及化学亲和力等不同的短、长程作用力。为在原理上区别于STM的隧道电流检测，这类与AFM原理类似的显微镜技术通常可归类为扫描力显微镜 (Scanning Force Microscopy，SFM)。然而无论STM还是AFM，这类显微镜技术都是利用探针与样品间的不同相互作用来探测表面或界面在纳米尺度上表现出的物理性质和化学性质，都是基于探针对被测样品表面进行扫描完成信号检测的，甚至具有相似的系统结构，因此被统称为扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope, SPM）（表1.1）。此外，另一个SPM分支被称作扫描近场光学显微镜(Scanning Near-field Optical Microscopy，SNOM或Near-field Scanning Optical Microscopy，NSOM)，其测量对象为光子，可用来测定物质表面纳米尺度内的光学性质。

表1.1 扫描探针显微镜SPM
        名称        检测信号        分辨率        备注
扫描探针显微镜SPM        扫描隧道显微镜STM        探针-样品间的隧道电流        0.1nm （原子级分辨率）       
        原子力显微镜AFM        探针－样品间的原子作用力                统称扫描力显微镜SFM
        侧向力显微镜LFM        探针－样品间相对运动横向作用力               
        磁力显微镜MFM        磁性探针－样品间的磁力        10nm       
        静电力显微镜EFM        带电荷探针－带电样品间静电力        1nm       
        化学力显微镜CFM        化学修饰探针－样品表面基团间作用力        1nm       
        扫描近场光学显微镜SNOM        光探针接收到样品近场的光辐射        100nm

SPM发展至今，已俨然形成一个庞大的仪器家族。此外，还有许多与SPM相关的技术，例如SThM (Scanning Thermal Microscopy)、SCM (Scanning Capacitance Microscopy)、scanning SQUID (superconducting quantum interference device) Microscopy、Scanning Hall probe microscopy及SECM(Scanning Electrochemical Microscopy)等，可以用来测量物质表面各种物理与化学性质。
正是SPM技术的快速发展，使人类不仅能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态，而且能够在纳米甚至单分子、原子尺度上监测和与表面电子或原子行为有关的物理、化学性质，因此在表面科学、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，并且引领这些领域的研究深入到纳米甚至单分子、原子尺度。尽管早在1959年，著名物理学家理查德•费曼（Richard P.Feynman）在美国物理年会上的一次极富想象力的报告 "There's Plenty of Room at the Bottom" 就已经前瞻性地预言纳米科学与技术将是构成未来新时代科技的基础，但是纳米科技还是直到SPM等微观测量仪器和技术相继问世后才蓬勃发展起来。可以说SPM为纳米科技的诞生与发展起了根本性的推动作用，而纳米科技的发展也同时为SPM的应用提供了广阔的天地。时至今日，基于SPM技术已经发展出一门崭新的学科——扫描探针显微学（Scanning Probe Microscopy）。

区别于使用玻璃透镜的光学显微镜或磁透镜的扫描电镜，扫描探针显微镜是靠具有不同“触觉”功能的“纳米指尖”去感知样品表面的状态[5]。不难想象，如果用“纳米指尖”对样品表面施加强度足够大的作用，则可以以某种方式改变样品表面的状态。因此除作为测量工具外，SPM已经有许多前瞻性的运用，其中最引人瞩目的就是对单原子和单分子的操控术(atomic/molacular manipulation)和用于纳米结构制作的扫描探针刻蚀 (scanned probe lithograph，SPL )技术。
§1.1.2 SPM仪器的结构原理
目前最广泛使用的扫描探针显微镜是原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）。其基本组成都包括检测系统、反馈系统和扫描系统三部分.

§1.1.2.1原子力显微镜(AFM)的基本原理
原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）与扫描隧道显微镜（STM）最大的差别在于并非利用电子隧道效应，而是利用探针尖端与样品表面之间的范德华力（Van Der Waals Force）来呈现样品的表面特性，因此无论样品是否导电，都可用AFM进行表面性质测定。原子力显微镜最先采用的操作模式是所谓的接触模式（contact mode）。其基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端带有一个微小且尖锐的针尖。当探针逐渐靠近样品表面到达范德华力作用范围后，探针表面原子与样品表面原子的原子核与电子云互相吸引，表现为引力作用。当探针表面原子与样品表面原子间距离继续减小到约1nm时，彼此电子云间的斥力作用大于原子核与电子云之间的吸引力作用，所以整个合力表现为斥力的作用，此时可认为探针与样品表面发生了“软接触”。由于在接触区域范德华力曲线斜率很高，因此当探针进一步靠近样品表面，范德华斥力将迅速增大，推斥探针的微悬臂使其发生反向弯曲。如果在扫描时通过反馈控制使微悬臂的弯曲程度保持不变，也就保持了针尖与样品表面之间的范德华斥力以及与其关联的原子间距离保持不变，则带有针尖的微悬臂将沿着这种针尖与样品表面间范德华斥力的等值面在垂直于样品表面的方向（Z向）作起伏运动。记录探针在z向的运动轨迹就能推算样品表面的形貌或其它表面性质的信息。正因为接触模式AFM是在范德华斥力状态下操作的，因此有时也被称为斥力模式AFM。
§1.1.2.1.1原子力显微镜的系统构件
     如图1.2所示，原子力显微镜系统主要包括五个部分：力检测系统、探针位置检测系统、反馈控制系统、扫描系统和信息采集与处理系统。
1） 力检测系统

[[i] 本帖最后由 封火冰 于 2007-05-29 08:42 编辑 [/i]]

（2）探针位置检测系统
（3） 反馈控制系统
   
（4）扫描系统
（5）信息采集与处理系统

[[i] 本帖最后由 封火冰 于 2007-05-29 08:43 编辑 [/i]]

§1.1.2.1.2原子力显微镜的其它成像模式
    原子力显微镜除接触模式（Contact mode）（也称为斥力模式）外，还可以在侧向力模式（Lateral force Mode）、敲击模式（Tapping mode）（也称为动态力模式，Dynamic force mode）、非接触模式（Non-contact mode）、侧向调制摩擦力模式（Lateral modulatiom－Friction force mode）等多种方式下操作。接触模式如上所述，此处仅对最常用的侧向力模式和敲击模式予以原理性的介绍，并与接触模式简单对比。
(1) 侧向力成像模式
(2) 敲击式成像模式

[[i] 本帖最后由 封火冰 于 2007-05-29 08:43 编辑 [/i]]

偶自己总结的,:lol :D
后面还会继续上传。

[[i] 本帖最后由 封火冰 于 2007-03-29 09:44 编辑 [/i]]

好贴好贴。这样的帖子，这样的认证会员，越多越好！！

封火冰？请问你的名字是什么意思呀？

:victory:

第一次在网上注册时用的网名，故名思议，想作一块封火的冰，只是不知道有没有人叫溶冰火。

§1.1.3 扫描探针刻蚀(SPL)

[[i] 本帖最后由 封火冰 于 2007-05-29 08:40 编辑 [/i]]

Dagata于1990年首次报道了在大气中用扫描隧道显微镜（STM）加3.5V偏压扫描氢化硅（H-passivated silicon）样品表面时，在探针扫描过的地方生成了新物质[11]后被证实是硅氧化物[12]的实验现象，从此开创了使用扫描探针进行氧化刻蚀（Scanned probe oxidation，SPO）的研究领域。
[img]http://img130.imageshack.us/img130/9250/89546207cl6.png[/img]

好贴好贴，越多越好，:) :) :) :victory:

谢谢分享!!
楼主辛苦了啊!

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楼主应该还有吧我需要这方面的资料做论文呢可怜

继续，写得不错！！！！！

nanofabrication:victory: :victory:

可不可以介绍一下如何测量力曲线?