扫描探针显微镜.ppt

大纲 SPM发展历史，基本原理概述; AFM基本结构及关键硬件组成； AFM常用模式简介； AFM应用，部分研究成果展示。 其它SPM简介 显微镜的发展: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(约300倍） 显微镜的发展：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 扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)工作原理： 一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0： 经典物理学：不可能越过此势垒，透射系数等于零，粒子将完全被弹回。 量子力学：一般情况下，其透射系数不等于零，粒子可以穿过比它能量更高的势垒（隧道效应）。 隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。经计算，透射系数T为：： 实验设想： 将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极； 当样品与针尖距离非常接近 (通常小于1nm) ； 加入外加电场的作用下。 结果：电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极，形成电流，即隧道电流。 STM就是运用了“隧道效应”这一原理，如图： 探针与样品之间的缝隙就相当于一个势垒，电子的隧道效应使其可以穿过这个缝隙，形成电流，并且电流对探针与样品之间的距离十分敏感，因此通过电流强度就可以知道到探针与样品之间的距离 原子力显微镜（AFM) STM的原理是电子的“隧道效应”，所以只能测导体和部分半导体 1985年，IBM公司的Binning和Stanford大学的Quate研发出了原子力显微镜（AFM），弥补了STM的不足 图1、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。 ?原子力显微镜：利用微小探针与待测物之间交互作用力，来呈现待测物表面的物理特性。 利用斥力与吸引力的方式发展出两种操作模式：???????（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?。 AFM的操作原理 SPM基本结构 一：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。??????? 三维扫描控制器 压电陶瓷 控制针尖在样品表面进行高精度的扫描，目前普遍使用压电陶瓷材料作为x-y-z扫描控制器件。 压电现象是指某种类型的晶体在受到机械力发生形变时会产生电场，或给晶体加一电场时晶体会产生物理形变的现象（多晶陶瓷材料，钛酸锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3](简称PZT)和钛酸钡等） 压电陶瓷材料能以简单的方式将1mV-1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移 Binnis和Rohrer等人在IBM苏黎世实验室设计的STM中，采用的的粗调驱动器（作“小爬虫”，Louse） 工作： 一：把两只MF固定在GP上，同时在构成三角形的压电陶瓷条中的相应两条施加电压，两条压电陶瓷材料的膨胀或收缩（依据所加电压的符号），另一只没有固定的MF作微小移动． 二：把这只MF固定而放松前两只MF，同