要在高真空的环境下操作
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扫描探针显微镜SPM
SPM是指在STM基础上发展起来的一大类显微镜， 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。
scanning tunneling Microscopy (STM， 1982)
Atomic force microscopy (AFM)
电化学原子力显微镜
梁景肖 王芳
Contents
原子力显微镜的出现
原子力显微镜工作原理
原子力显微镜应用
电化学原子力显微镜
电化学原子力显微镜应用实例
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显微镜发展历史
第一代光学显微 镜(1676)
远场显微镜 显微镜
近场显微镜 第二代电子显微 镜(1938) 第三代扫描探针 显微镜SPM （1982）
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小悬臂（canห้องสมุดไป่ตู้ilever）来感测针尖与样品之间的交互作用，测得 作用力。这作用力会使cantilever摆动，再利用激光将光照射在 cantilever的末端，当摆动形成时，会使反射光的位置改变而造 成偏移量，此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号
给反馈系统，以利于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特
远场显微镜和近场显微镜
光学显微镜和电子显微镜都称之为远场显微镜，因为相对 来说样品离成像系统有比较远的距离。成像的图像好坏基 本取决于仪器的质量。
而扫描探针显微镜的工作原理是基于微观或介观范围的各
种物理特性，探针和样品之间只有2-3埃的距离，会产生 相互的作用，是一种相互影响的耦合体系。我们称它为近 场显微镜。它的成像质量不单单取决于显微镜本身，很大 程度上受样品本身和针尖状态的影响。
信息，从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。
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基本原理
F pair
排斥部分 d 吸引部分
原子 原子
排斥力
原子 原子 吸 引 力
原子间的作用力
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在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微小悬臂来感测针尖与样品之
间的交互作用，这作用力会使悬臂摆动，利用激光将光照射在悬臂的末
端，当摆动形成时，会使反射光的位置改变而造成偏移量，此时激光检 测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适
结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力
敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的 表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固 定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用， 作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描
样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布
重影响AFM成像质量。
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非接触模式
van der Waals force curve
d: 5~20nm 振幅：2nm～5nm
范德华吸引力
相互作用力是范德华吸引力，远小于排斥力. 微悬臂以共振频率振荡，通过控制微悬臂振幅恒定 来获得样品表面信息的。
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优点：对样品无损伤 缺点：
1）分辨率要比接触式的低。 2）气体的表面压吸附到样品表面，造成图
SPM、SEM、STM精度比较
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AFM出现的意义
STM的原理是电子的“隧道效应”，所以只能测导
体和部分半导体。
1985年，IBM公司的Binning和Stanford大学的
Quate研发出了原子力显微镜(AFM)，弥补了
STM的不足。
9ce Microscope ， AFM），一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面
当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的方式给呈现出来。
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微悬臂
laser diode photo detector
激光二极管
光电检测器
cantilever
sample
scanner
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原子力显微镜（AFM）便是结合以上三个部分来将样品的表面
特性呈现出来的：在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微
Lateral Force Microscopy (LFM)
Magnetic Force Microscopy (MFM) Electrostatic Force Microscopy (EFM) Chemical Force Microscopy (CFM) Near Field Scanning Optical 7 Microscopy (NSOM)
性以影像的方式给呈现出来。
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仪器构成
压电扫描系统 力检测部分 光学检测部分 反馈电子系统 计算机控制系统
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工作模式
接触模式 (contact mode) 非接触模式 (non-contact mode) 轻敲模式 (intermittent contact mode)
van der Waals force curve
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接触模式
van der Waals force curve
d ＜０.０３nm
针尖始终向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 存在的库仑排斥力，其大小通常为10－8 —10－11N。
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优点：可产生稳定、高分辨图像。
缺点：可能使样品产生相当大的变形，对 柔软的样品造成破坏，以及破坏探针，严
像数据不稳定和对样品的破坏。
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轻敲模式
振幅：5nm ～100nm
van der Waals force curve
介于接触模式和非接触模式之间: 其特点是扫描过程中微悬臂也是振荡的并具有比非 接触模式更大的振幅(5~100nm)，针尖在振荡时间断地 与样品接触。
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特点：
1）分辨率几乎同接触模式一样好；
2）接触非常短暂，因此剪切力引起的对样 品的破坏几乎完全消失；
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相位成像(phase imaging)技术
通过轻敲模式扫描过程中振动微悬臂的相位变化来检 测表面组分,粘附性,摩擦,粘弹性和其他性质的变化。
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光学显微镜
衍 射 效 应
衍射屏 观察屏
S
*

a
刚可分辨
不可分辨
最小分辨距离：阿贝公式
1.22 r 2n sin
r~0.2um （3000倍）
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电子显微镜
电子波长比可见光短得多。制成电子显微镜将具 有更高的分辨本领。 1938年：第一台透射电子显微镜（TEM）。 1952年：第一台扫描电子显微镜（SEM）。 电子显微镜的分辨率可以达到纳米级（10-9m）。 样品处理过程复杂