扫描探针显微镜技术及其应用.ppt

第五章扫描探针显微镜技术及其应用 5-1 扫描探针显微镜的产生和历史 5-2 扫描探针显微镜的原理 5-3 扫描探针显微镜的特点与应用 5-4 存在的问题及其展望 5-5 总结 参考文献 扫描探针显微镜的产生和历史 扫描探针显微镜产生的必然性 1 表面结构分析仪器的局限性 扫描探针显微镜的产生和历史 扫描探针显微镜的产生和历史 2 纳米科技突飞猛进的发展 扫描探针显微镜的产生和历史 扫描探针显微镜的产生 扫描探针显微镜的产生和历史 扫描探针显微镜的产生和历史 扫描探针显微镜的发展历史 对于扫描探针显微术的最初研究可以追溯到上个世纪２０年代。 1928年英国科学家Synge提出了扫描探针近场光学显微镜的概念。他提出制造一个玻璃的针尖，在这个针尖的末端有一个极小的照相机的光圈，然后用这个针尖对待测样品作一行行的扫描。他后来也提出了对样品进行压电式扫描的想法。但由于种种原因，他的工作没有受到注意。 直到1956年，O’Keefe重新研究了相同的想法。这次，O’Keefe研究了光在一个100埃的狭逢中的传播，指出了该技术有望达到100埃的分辨率。但不幸的是，他断言相关的技术还不成熟，实验方面的工作还不具有可行性，因此他放弃了进一步的研究。Baez之后用声波的方法一一核实了这些概念。 1972年，Ash和Nicholls两人使用3cm波长的微波辐射做成了世界上第一个近场高分辨率扫描显微镜。他们达到了150微米的分辨率（波长的二百分之一）. 1981年IBM的Gerd.Binnig 和Heinrich Rohrer制成了世界上第一台扫描隧道显微镜，由此人类第一次获得了原子尺度上的图像。二人因此项工作获得了诺贝尔奖。自此SPM的发展日新月异。 扫描探针显微镜的原理 扫描探针显微镜的原理 当探针与样品表面间距小到纳米时，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。 扫描探针显微镜的原理 扫描探针显微镜(SPM)主要包括扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)两种功能。 扫描探针显微镜的原理 扫描隧道显微镜 工作原理是利用电子隧道现象，将样品本身作为一具电极，另一个电极是一根非常尖锐的探针。把探针移近样品，并在两者之间加上电压，当探针和样品表面相距只有数十埃时，由于隧道效应在探针与样品表面之间就会产生隧穿电流，并保持不变。若表面有微小起伏，那怕只有原子大小的起伏，也将使穿电流发生成千上万倍的变化。这些信息输入电子计算机，经过处理即可在荧光屏上显示出一幅物体的三维图像。扫描隧道显微镜一般用于导体和半导体表面的测定。 扫描探针显微镜的原理 原子力显微镜 主要包括接触模式、非接触模式和轻敲模式。一个对力非常敏感的微悬臂，其尖端有一个微小的探针，当探针轻微地接触、接近或轻敲样品表面时，由于探针尖端的原子与样品表面的原子之间产生极其微弱的相互作用力而使微悬臂弯曲，将微悬臂弯曲的形变信号转换成光电信号并进行放大，就可以得到原子之间力的微弱变化的信号。这些信息输入电子计算机，经过处理即可在荧光屏上显示出一幅物体的三维图像。 扫描探针显微镜的特点与应用 扫描探针显微镜的特点与应用 扫描探针显微镜的特点 1. 分辨率高 扫描探针显微镜的特点与应用 扫描探针显微镜的特点与应用 扫描探针显微镜的特点与应用 双链DNA吸附在石墨表面用CH3(CH2)11NH2分子改性。操作过程是这样的，将探针与表面接触，然后使用自制的操纵硬件向一定方向移动。a.是双链质粒DNA分子的交存；b.其中2个顺着箭头方向拉伸之后；c.同样的分子进行操作后形成三角形；d.用线性双链DNA的分散样品写的7个字母；e.放大b图中的方块部分；f.放大c图中方块的部分。 扫描探针显微镜的特点与应用 扫描探针显微镜的其他应用 存在的问题及其展望 存在的问题 由于其工作原理是控制具有一定质量的探针进行扫描成像，因此扫描速度受到限制，检测效率较其他显微技术低； 由于压电效应在保证定位精度前提下运动范围很小（目前难以突破100μm量级），而机械调节精度又无法与之衔接，故不能做到象电子显微镜的大范围连续变焦，定位