掃描探針顯微鏡（SPM）基礎(chǔ)知識(shí) ??

什么是掃描探針顯微鏡（SPM）？

掃描探針顯微鏡（SPM）是一種能夠利用針頭等鋒利探針在納米尺度上觀察樣品表面不均勻的顯微鏡。

它常在高真空下用于凈化樣品表面，但也可以在大氣中使用。 最近，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一些可以液態(tài)使用的產(chǎn)品。

掃描探針顯微鏡有多種類(lèi)型，包括掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）。 STM被認(rèn)為對(duì)納米結(jié)構(gòu)科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，能夠逐個(gè)捕捉每個(gè)原子，發(fā)明者于1986年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

掃描探針顯微鏡（SPM）的應(yīng)用

掃描探針顯微鏡可以觀測(cè)納米級(jí)的表面，因此對(duì)于觀察表面狀況以及測(cè)量半導(dǎo)體、玻璃、液晶等的粗糙度非常有用。

具體觀察包括有機(jī)化合物中硅單晶和苯基的原子序列。 此外，還可以觀察和操作微生物、細(xì)菌和生物膜等生物樣本的DNA。

掃描探針顯微鏡是20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)的一種新型顯微鏡，但原子層面的觀察技術(shù)發(fā)展顯著。能夠測(cè)量摩擦力、粘彈性和表面勢(shì)能的模型已被開(kāi)發(fā)出來(lái)，其應(yīng)用正在迅速擴(kuò)展。 液體測(cè)量也被應(yīng)用于電化學(xué)和生物化學(xué)等領(lǐng)域，使?fàn)顟B(tài)測(cè)量更接近現(xiàn)實(shí)世界條件。

掃描探針顯微鏡（SPM）原理

本文解釋了AFM和STM的原理，這些原理常用于掃描探針顯微鏡。 探針的類(lèi)似細(xì)針，掃描樣品表面以獲取圖像和位置信息。 由于探針較薄且執(zhí)行原子級(jí)掃描，不適合測(cè)量異常不均勻的樣品。

1. 掃描隧道顯微鏡（STM）

STM利用了從金屬探針到樣品的隧道電流強(qiáng)度對(duì)絕緣體厚度（即中間真空）敏感的事實(shí)。 通過(guò)逐個(gè)分解材料表面上的原子，可以以高分辨率準(zhǔn)確測(cè)量樣品表面的局部高度（區(qū)分兩個(gè)相鄰點(diǎn)之間的最短距離）。 此外，通過(guò)掃描樣品表面，探針還能觀察原子尺度上的不均勻圖案。

探針使用帶尖的鎢或鉑金。 當(dāng)探頭和樣品靠近到重疊電子云和微小偏置電壓（用于確定直流工作點(diǎn)以放大放大器微小信號(hào)）時(shí)，隧道電流會(huì)通過(guò)隧道效應(yīng)流動(dòng)。

在STM中，金屬探針沿樣品表面水平移動(dòng)（X， Y），探針與樣品之間的距離（Z）被反饋并控制，保持隧道電流始終恒定。 通常，能夠以小于單個(gè)原子大小精度控制距離的壓電元件執(zhí)行垂直運(yùn)動(dòng)并檢測(cè)單個(gè)原子之間的相互作用。 因此，STM在三維空間內(nèi)具有原子分辨率。 壓電元件是被動(dòng)元件，利用壓電效應(yīng)的現(xiàn)象，當(dāng)施加壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓。

2. 原子力顯微鏡（AFM）

AFM測(cè)量并掃描探針與樣品表面之間原子力的細(xì)微差（非化學(xué)鍵原子間的弱內(nèi)聚力），并觀察表面。 無(wú)論是有機(jī)還是無(wú)機(jī)，即使使用絕緣體和生物樣本也能觀察到，使其應(yīng)用范圍廣泛。 已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種模型，應(yīng)用AFM技術(shù)來(lái)測(cè)量摩擦、粘彈性、介電常數(shù)和表面勢(shì)。

連接在懸臂梁的探針會(huì)受到樣品表面的微小力量。 通過(guò)熔合探針與樣品之間的距離（Z），保持懸臂梁上的力（偏轉(zhuǎn)）恒定，表面形狀被水平掃描（X， Y），生成圖像。