探针显微镜技术及其应用.ppt

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1、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1933年电子显微镜RuskaKnoll透射电子显微镜扫描电子显微镜场电子显微镜场离子显微镜低能电子衍射光电子能谱电子探针扫描探针显微镜的产生和历史低能电子衍射和X射线衍射光学显微镜和扫描电子显微镜高分辨透射电子显微镜场电子显微镜和场离子显微镜X射线光电子能谱样品具有周期性结构不足分辨出表面原子用于薄层样品的体相和界面研究只能探测在半径小于100nm的

2、针尖上的原子结构和二维几何性质，且制样技术复杂只能提供空间平均的电子结构信息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Dendrimer-likeGoldNanoparticle[3]BiomolecularRecognitiononVerticallyAlignedCarbonNanofibers[1]ε-Conanocrystalscoatedbyamonolayerofpoly(acrylicacid)-block-polystyrene[2]DNATranslocationinInorganicNanotubes[4]Diameter-DependentGrowthDire

3、ctionofEpitaxialSiliconNanowires[5]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隧道显微镜1982年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，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的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。Gerd.BinnigHeinrichRohrer扫描探针显微镜的产生和历史扫描力显微镜（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）扫描探针显微镜（SPM）扫描探针显微镜

4、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

5、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HeinrichRohrer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

6、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，

7、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