表面分析技术第四章扫描探针显微镜

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1、1第四章扫描探针显微分析扫描隧道显微镜STM原子力显微镜AFM2scanningtunnelingMicroscopy(STM，1982)Atomicforcemicroscopy(AFM)LateralForceMicroscopy(LFM)MagneticForceMicroscopy(MFM)ElectrostaticForceMicroscopy(EFM)ChemicalForceMicroscopy(CFM)NearFieldScanningOpticalMicroscopy(NSOM)扫描探针显微镜SPMSPM是指在STM基础上发展起来的一大类

2、显微镜，通过探测极小探针与表面之间的物理作用量如光、电、磁、力等的大小而获得表面信息。3扫描探针显微镜的产生扫描探针显微镜（SPM）扫描力显微镜（SFM）扫描近场光学显微境（SNOM）弹道电子发射显微镜（BEEM）原子力显微镜（AFM）扫描隧道显微镜（STM）4扫描探针显微镜（SPM）是用来探测表面性质的仪器。代表是扫描隧道显微镜和原子力显微镜。材料制造尺寸已由微米、次微米，逐渐发展至纳米级精密处理，高分辨表面分析技术为重要关键技术之一。扫描探针显微术(SPM)具有原子级表面形状分辨率，并可检测多种纳米级表面特性如力学特性、电性、磁性、热性等等。优点为仪器

3、体积小，样品无需特殊处理，可在任何环境下进行测量；缺点为缺乏成份分析功能。567SPMHead—themostimportantpart8Workingconcepts9常用显微分析方法光学显微术(OM)扫描电子显微术(SEM)透射电子显微术(TEM)扫描探针显微术(SPM)横向分辨率300纳米3纳米原子级原子级纵向分辨率20纳米10纳米无原子级成像范围1毫米1毫米0.1毫米0.1毫米成像环境无限制真空真空无限制样品准备无镀导电膜手续繁复无成份分析有有有无10扫描探针显微镜（SPM）与其他显微镜技术的分辨本领范围比较HM：高分辨光学显微镜；PCM：相反差显

4、微镜；(S)TEM：（扫描）透射电子显微镜；FIM：场离子显微镜；REM：反射电子显微镜11扫描探针显微镜的应用呈现原子或分子的表面特性用于研究物质的动力学过程检测材料的性能通过显微镜探针可以操纵和移动单个原子或分子微米纳米结构表征，粗糙度，摩擦力，高度分布，自相关评估，软性材料的弹性和硬度测试高分辨定量结构分析以及掺杂浓度的分布等各种材料特性12扫描探针显微镜的应用失效分析:缺陷识别，电性测量（甚至可穿过钝化层）和键合电极的摩擦特性生物应用:液体中完整活细胞成象，细胞膜孔隙率和结构表征，生物纤维测量，DNA成像和局部弹性测量硬盘检查:表面检查和缺陷鉴定，

5、磁畴成象，摩擦力和磨损方式，读写头表薄膜表征:孔隙率分析，覆盖率，附着力，磨损特性，纳米颗粒和岛屿的分布13存在的问题及其展望借助其它技术手段在，难以绝对定量物质的性质考察物质性质时，SPM空间分辨率较低获取数据速率较慢难以快速的控制原子，分子的结构144.1扫描隧道显微镜（STM）（ScanningTunnelingMicroscope）概述STM的工作原理STM仪器STM的应用154.1-1概述STM的发明1981年，IBM苏黎世实验室的葛·宾尼（G.Binnig）博士和海·罗雷尔（H.Rohrer）博士研制成世界第一台纳米级表面分析仪器—扫描隧道显微

6、镜。它使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，具有重大的科学意义和广阔的应用前景，被国际科学界公认为八十年代世界十大科技成就之一，认为STM的发明开始了纳米科技的新时代。1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖．16STM所具有的独特优点（l）具有原子级的高分辨率。STM在平行和垂直样品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。（2）可实时地得到在实空间中表面的准三维图象，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构研究。（3）可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整个

7、表面的平均性质。17STM所具有的独特优点（II）（4）可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术，且探测过程对样品无损伤。（5）配合扫描隧道谱可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。（6）在纳米镊子帮助下可实现原子的操纵和加工，所以被认为开始了纳米科技的新时代。184.1-2STM的工作原理STM的基本原理是利用量子隧道效应.以极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于1nm），在外加电场的作用下，电子

8、会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。这种现象即是隧穿效应。隧道电