1 《扫描探针显微镜》讲义 2007/11/13 丁喜冬
目次 一 扫描探针显微镜（SPM）概述 二 扫描力显微镜(SFM)概述 三 SFM中的力及其检测技术 四 几种常见的SPM 五 商品化的SPM仪器的例子 六 SPM的应用举例
参考文献： (1) 白春礼、田芳、罗克著，扫描力显微术，科学出版社，2000 (2) 白春礼编著，扫描隧道显微术及其应用，上海科学技术出版社，1992.10 (3) G..Binning,C.F.Quate,Ch.Gerber. Phys.Rev.Lett 56,930(1986) (4) J. K. H. Ho¨rber1 and M. J. Miles， Scanning Probe Evolution in Biology，Volume302, Science, 7.Nov 2003 (5) Werner A.Hofer, Adam S.Foster, Alexander L.Shluger, Theories of scanning probe microscopes at the atomic scale, Reviews of Modern Physics, Volume75, October 2003. 2
一 扫描探针显微镜（SPM）概述 1、发展背景 1982年，国际商用机器公司（IBM）苏黎世实验室的宾尼（Binning）和罗雷尔（Rohrer）及其同事们研制成功了世界上第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜（Scanning Tunning Microscope, STM）。宾尼和罗雷尔因此而获得1986年的诺贝尔物理学奖。它的出现，使人类第一次能够实时的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，被国际科技界公认为80年代十大科技成就之一。随后，STM仪器本身及其相关仪器获得了蓬勃发展，诞生了一系列在工作模式、组成模式及主要性能与STM相似的显微仪器，用来获取STM无法获取的各种信息。这些仪器目前统称为扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope, SPM）。这些仪器的共同特点是：采用尖锐的探针在样品表面扫描的方法来获取样品表面的一些性质。不同的扫描探针显微镜主要是针尖特性及相应针尖-样品相互作用的不同。这些仪器的发明，使人们跨入了原子和分子世界，成为人们认识微观世界的有力工具，在科技和工业方面已经、并且必将继续产生深刻的影响，在材料科学、微电子学、物理、化学、生物学等领域有着重大的意义和广阔的应用前景。
2、SPM的种类 扫描探针显微镜（SPM）家族中目前有近20个成员。由于其技术还在不断发展之中，所以其成员将继续增加。按照工作原理，大致可以分为：与隧道效应有关的显微镜、扫描力显微镜、扫描离子电导显微镜、扫描热显微镜等几类。与隧道效应有关的显微镜是基于量子隧道效应工作的。STM是SPM家族的第一个成员，也是与隧道效应有关的显微镜的典型代表。其成员还包括扫描噪声显微镜（SNM）、扫描隧道电位仪（STP）、弹道电子发射显微镜（BEEM）、光子扫描隧道显微镜（PSTM）等。扫描力显微镜（Scanning Force Microscope,SFM）通过检测探针与样品之间的相互作用力而成像，除了宾尼等人于1986年发明的原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）外，应用较广的还有：磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜（EFM）、摩擦力显微镜（LFM）、化学力显微镜（CFM）等。
3、SPM的工作原理 扫描探针显微镜采用尖锐的探针在样品表面扫描的方法来获取样品表面的电、磁、声、光、热等物理的或化学的性质。不同的扫描探针显微镜主要是针尖特性及相应针尖-样品相互作用的不同，即各种扫描探针显微镜除了探针部分外，工作原理是基本一样的。
4、SPM的应用前景 SPM具有的原子和分子尺度上的探测材料性质的能力，因此，SPM无论在基础项目研究还是在技术领域的应用都具有独一无二的优势。目前，SPM已广泛应用于材料科学、物理、化学、生命科学等科研领域，取得了许多重要的研究成果，并推动着这些学科向前发展，出现了一系列新的交叉学科。另外，扫描探针显微镜的应用已不仅仅局限于基础研究方面，它已迅速向工业应用领域扩展。
图1-1 SPM的分类 图1-2 SPM的工作原理 3
二 扫描力显微镜(SFM)概述 1、SFM的含义、分类、比较： （含义：p1下-p2上，p3b-p4u） SFM是几种以检测探针与样品间相互作用力为特征的扫描力显微镜的统称，其中原子力显微镜（SFM）是最有代表性的一种力显微镜。
（力的种类：P7中、下） 离子排斥力、范德华力、毛细管力、磁力、静电力，固液界面和薄液膜上的力以及摩擦力等
（SFM的分类：P28-P29文字） （比较：P2b-P3m） 相应的扫描力显微镜有原子力显微镜（AFM），摩擦力显微镜（LFM），磁力显微镜（MFM），静电力显微（EFM）和化学力显微觎（CFM）等．统称为SFM
在历史上，金刚石探针轮廓仪和表面力装置是先于SFM出现的，而SFM可以大致认为是二者的结合。轮廓仪的工作原理是用装有针尖的悬臂同样品接触，样品在悬臂下横向移动，利用电容方法检测悬臂位置。得到的实验数据为线扫描像 或样品表面的轮廓，用轮廓仪可测得的深度和力分辨率分别是0.lnm和 1000nN。 表面力装置（SPA）是测量两个用云母或硅覆盖的交叉圆柱间的范德华力、双层力、粘滞力、水合力和粘附力。这些力是在真空、水蒸气存在或液体条件下，对应两平面间不同距离测量得到的。圆柱一般具有lcm的曲率半径，其中一个圆柱装在悬臂上，以使两个圆柱间的力可以通过测量悬臂形变来确定，悬臂的形变用光干涉技术来检测。表面接触时．接触面积在10—30um2。两个平面间距离可以控制在0.1nm，力分辨率大约是 20nN。 硬度测试仪或微刻压仪是通过记录改变应力或刻压过程中针尖位移，来表征材料的机械性质,如模量、硬度、蠕变和压力松弛等。针尖的位移通常利用电容方给来确定，所压入深度记录为应力的函数。最先进商品仪器的力和深度分辨率分别是75uN和0.04nm. SFM具有上面三种仪器，即轮廓仪、表面力装置和微刻压仪的所有特征，而且功能更加完善。 图2-1 SFM与其它技术的比较
2、SFM的工作原理： (P8-P9文字，图2-2 (P8_tu1.1) ) SFM使用一个一端固定而另一端起有针尖的弹性微悬臂来检测样品表面形貌或其他表面性质的。当样品或针尖扫描时，同距离有关的针尖样品间相互作用力（既可能是吸引的，也可能是排斥的）就会引起微悬臂发生形变。也就是说微悬臂的形变可作为样品-针尖相互作用力的直接度量。一束激光照射到悬臂的背面微悬臂将激光束反射到一个光电检测器，检测器不同象限接收到的激光强度差值同微悬臂的形变量会形成一定比例关系，参见图2-2。 图2-2 SFM的力的检测（最常用的方法） 4
3、SFM的操作模式： （四种：文字P9-P10） 恒力模式 原理上恒力模式是使用最广泛，同时也是最容易理解的扫描过程。通过反馈回路来保持微悬臂形变量不变，从而控制力的恒定。在精确校正了控制Z方向运动的压电陶瓷驱动器的压电系数后，可通过反馈回路输出的变化精确测量Z轴方向的运动。 变化的形变模式（恒高模式） 在扫描过程中，检测器直接测量悬臂的形变量。如果力的相对变化不是太大，这种模式可用与恒力模式相似的方式来解释。与恒力模式有所不同，因为没有使用反馈回路，可采用更高的扫描速度。 恒梯度模式 微悬臂是振动的，检测器通过锁相技术来测量信号。调制频率选在悬臂机械共振频率附近。可保持共振频率恒定来测量（f∝(k-f’)1/2。另外一种不同的模式，用频率调制（FM）检测器直接测量频率的变化。这个方法的优点就是能非常有效的应用高Q值悬臂。
谱学模式(力-距离曲线) 力-距离曲线一般是在扫描范围内选取的几个点上测量得到的。可得到了空间分辨的力一距离曲线，测量出毛细力以及液态膜厚度的变化。随着谱学方法在SFM中的广泛应用，通过力-距离曲线可以测量探针与材料表面间各种相互作用力。 图2-3力-距离曲线（力曲线）(P147)
4、SFM的成像模式： 接触模式、非接触摸式、轻敲模式 图2-3：三种成像模式比较（P11图1.2） 图2-5：液体中的接触模式（P12图1.3） 图2-6：轻敲模式图（P14图1.4） 图2-7：三种模式的工作区间比较（P14图1.5）
（文字P10下-P15） 空气和液体中的接触模式 在SFM的常规接触摸式中，针尖始终同样品接触并简单地在表面上移动。针尖．样品间的相互作用力是互相接触原于的电子间存在的库仑斥力排斥力，其大小通常为 10-8---10-11N。样品表面的AFM形貌图像通常是采用这种斥为模式获得的。虽绍接触摸式通常可产生稳定、高分辨图像，但它在研究低弹性模量样品时有一些缺点。例如探针在样品表面上移动以及针尖．表面间的粘附上有可能使样品产生相当大的变形，井对针尖产生较大的损害，从而可能在图像数据中出现假象。 大气条件下大多数样品表面都吸附有一覆盖层（凝聚水蒸气或其他有机污染物）一般有几纳米厚。当扫描探针接触这个吸附层时，毛细作用使其产生凹面，并且表面张力使针尖向下进人这一吸附层。此外，针尖和样品上的静电荷也可能