扫描隧道显微镜及原子力显微镜.ppt

原子力显微镜（扫描探针显微镜）AFM（SPM） 一、显微镜的发展 光学显微镜 高级显微镜 光学显微镜 16世纪末，荷兰的眼镜商Zaccharias Janssen, 第一台复合式显微镜，倍数太低 Leeuwenhoek磨制的单片显微镜的放大倍数将近300倍 高级显微镜 1938年，德国工程师Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上第一台透射电子显微镜（TEM） 1952年，英国工程师Charles Oatley制造出了第一台扫描电子显微镜（SEM） 至此，电子显微镜的分辨率达到纳米级 STM就是运用了“隧道效应”这一原理，如图： 恒高度模式 STM工作原理在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变；于是针尖与样品表面的局域距离将发生变化，隧道电流I的大小也随着发生变化；通过计算机记录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，即得到了STM显微图像。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同一种原子组成)的情形。 3．特点 （1）可在真实空间直接得出表面结构的三维图象。放大倍数可达数千万倍。横向分辨率和纵向分辨率分别达到0.1nm 和0.005nm。 （2）不需任何光学透镜或电子透镜。 （3）既可在真空也可在大气甚至液体中观察样品，这对生物试样尤为重要。 （4）没有辐照损伤。 ４．STM的应用 （1）表面原子结构研究。 STM能直接在真实空间给出表面三维图象，并具有原子分辨率，从而为精确确定表面原子结构提供了一种有力工具。 这方面最成功的应用就是确定了Si(111)表面存在的7?7超晶格结构。(在Si(111)-(7×7)表面自组织生长二维Ge团簇超晶格，物理学报，Vol51，1017（2002）） 三、原子力显微镜 STM只能用于导体或半导体的研究，为克服这一不足，1986年宾尼希等发明了原子力显微镜(AFM)。 与STM不同， AFM测量的不是隧道电流，而是针尖与样品之间的力。 原子与原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离的不同而有所不同，其之间的能量表示也会不同。 ?两种操作模式：???（1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜（contact AFM），探针与试片的距离约数个?。???????（2）利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为非接触式原子力显微镜（non-contact AFM），探针与试片的距离约数十到数百?。 硬件架构：在原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。 力检测部分：???????在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是使用微小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变化量。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。 位置检测部分：???????在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂（cantilever）摆动，所以当激光照射在cantilever的末端时，其反射光的位置也会因为cantilever摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供控制器作信号处理。 反馈系统：???????在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持合适的作用力。??????? 将微小针尖放在悬臂的一端，当针尖与样品间距小于一定范围时，由于针尖与样品的相互作用，悬臂发生弯曲变形。 使样品与针尖之间作扫描运动，监测悬臂的形变位移，即可得到样品表面的形貌信息。 目前在AFM中使用的大多为用微电子技术制作的 微悬臂，长度约为几十微米。这种悬臂共振频率高，可测 的力。 由于微悬臂的位移很小，对它的测量是AFM的一个关键技术。现在大多采用的是光学方法。最普遍的是光束反射法。 从半导体激光器发出的光经透镜聚焦在微悬臂的背面，反射光照在光电位敏探测器上。当悬臂由于样品表面起伏而弯曲时，反射光也相应移动。由于光程远大于悬臂长度，所以悬臂的位移被放大几百倍。 将光电测量信号反馈，控制样品台的z方向压电陶瓷的位移，使悬臂恢复原来位置，扫描过程中压电陶瓷控制电压的变化就反映了样品表面的起伏。 原子力显微镜的应用 AFM可以满足多种不同样品的要求，用于多种系统的成像 量子点 生物分子 多聚体 单