基于扫描探针显微镜的微区机械特性测量技术的研究

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1、中山大学硕士学位论文学位论文使用授权声明本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。学位论文作者签名：晦豫老铲导师签名：，了岳毒_日期：弘lo年D6月6r日日期：矽卜年b月!日基于扫描探针显微镜的微区机械特性测量技术研究第1章绪论1．1扫描探针显微镜1．1．1SPM概述扫描探针显微镜(S

2、canningProbeMicroscopy，SPM)是所有利用探针在样品上扫描移动以探测样品形貌及其信息的一类显微镜的统称。其分辨率主要取决于探针的大小(通常在纳米范围)。扫描隧道显微镜是第一个被发明的扫描探针显微镜。扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope，STM)是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。它于1981年由格尔德·宾宁及海因里希·罗雷尔在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明，两位发明者因此与恩斯特·鲁斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道

3、显微镜可以让科学家观察并定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更高的分辨率。此外扫描隧道显微镜在低温下(4K)可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技中既是重要的测量工具又是加工工具。原子力显微镜(AtomicForceMicroscope，AFM)利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力，从而达到检测的目的，具有原子级的分辨率。由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不足。原子力显微镜是由IBM公司苏黎世研究中心的格尔德·宾宁与斯坦福大学的恩斯特·鲁斯卡于1985年所

4、发明的，其目的是为了使非导体也可以采用类似扫描探针显微镜(SPM)的观测方法。原子力显微镜(AFM)与扫描隧道显微镜(STM)最大的差别在于不是利用电子隧穿效应，而是检测原子之间的接触力，原子键合力，范德瓦耳斯力或卡西米尔效应力等来呈现样品的表面特性。一1一基于扫描探针显微镜的微区机械特性测量技术研究SPM可以观察到物体表面的纳米结构，是显微镜技术的一大进展，从此成为纳米技术中的主要分析工具，专门用来观测金属、半导体以及生物样品的表面信息。当前已有一系列基于STM或AFM的SPM技术和仪器：纳米阻抗显微镜(NIM)测量系统一定频率范围

5、内的阻抗，从而获得阻抗谱。通过分析与频率相关的阻抗的模lZI和相位0，可以确定被测系统的特征弛豫时间常数。这些特征时间常数可以与许多物理化学过程相联系，包括离子传导、电荷传导、扩散等等。静电力显微镜(EFM)可以检测样品的表面电势、电场分布、薄膜的介电常数和沉积电荷等信息。磁力显微镜(MFM)可以检测样品表面的磁畴分布，用于各种磁性材料的分析和测试。近场光学扫描显微镜(NSOM)是一种具有亚波长分辨率的光学显微镜。这种显微镜使用一根限制的光纤探针去探测样品附近的辐射。将光探针以恒高模式在样品表面扫描，可以得到光的显微图像。光子扫描隧道

6、显微镜(PSTM)用探针探测样品表面附近被内全射光所激励的瞬衰场，从而获得表面结构信息，其分辨率远小于入射光的半波长，突破了光学显微镜半波长极限的限制。扫描电容显微镜(SCM)基于金属探针的接触式原子力显微镜，可以获得微区载流子浓度分布图等。相对于扫描电子显微镜，扫描探针显微镜具有许多优点。不同于电子显微镜只能提供二维图像，SPM能够提供真实的三维表面图。同时，SPM不需要对样品进行任何特殊处理，如镀铜或碳，同时这种处理对样品会造成不可逆转的伤害，近年来这一点使SPM在生物有机样品观察方面被广泛应用。再者，电子显微镜需要运行在高真空条

7、件下，SPM在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织。与扫描电子显微镜(SEM)相比，SPM的缺点在于成像范围太小，速度慢，受探针的影响太大。1．1．2SPM的工作原理一2一《r目描#针R罐镜的微B机械特性测曩技术日}究≯STM的工作原理扫插隧道显微镜是一种利用量子力学中隧道效应的非光学显微镜。它主要是利用一根非常细的钨金属探针，针尖电予会跳到待测物体表面上形成隧穿电流，同时，物体表面的高低会影响隧穿电流的太小，如尉l一1所示，通过用前置放大单元把隧道电流放大，输入到距离和扫描控制单元。此

8、单元通过控制STM探针的扫描点与隧道电流的大小，获得样品表面的原子级形貌。扫描过程中一般有二种工作模式：恒流模式和恒高模式，在恒流模式中针尖随着物体表面的高低上F移动以维持稳定的电流，依据探针在扫描过程中的商低起伏获得物