Sample
Piezo tube scanner TrakScanTM tracking lens
Removable cantilever holder
AFM的基本操作方式
Graphics Graphics
Control Monitor
Display Monitor
Contact Mode AFM
探針以接觸表面的方式, 掃過整塊材料, 以分析其表面結構
用扫描隧道显微镜的针 尖将原子一个个地排列 成汉字，汉字的大小只 有几个纳米
1991年，IBM公司的“拼 字”科研小组用STM针尖 移动吸附在金属表面的 一氧化碳分子，拼成了 一个大脑袋小人的形象。 图中每个白团是单个一 氧化碳分子竖在铂表面 上的图象，顶端为氧分 子，各个分子的间距约 0.5nm。这个"分子人"从 头到脚只有5nm高，堪 称世界上最小的人形图 案。
❖ 1991年，日本科学家饭 岛澄男发现碳纳米管， 它的质量只有同体积钢 的1／6，强度却是钢的 100倍。用碳纳米管做 绳索，是唯一可以从月
球上挂到地球表面，而
不被自身重量所拉断的 绳索 。
三.神奇的纳米世界
靓丽的纳米世界
单根碳纳米弹簧
扫描隧道显微镜下的纳米团簇 酷似大力神杯的硅纳米结构
四.纳米材料：
ⅱ.原子力显微镜（atomic force microscope 简称 AFM) ：
利用针尖与样品表面原子间的微弱作用力 来作为反馈信号，维持针尖——样品间作用力 恒定，同时针尖在样品表面扫描，从而得知样 品表面的高低起伏。原子间作用力的检测主要 由光杠杆技术来实现。如果探针和样品间有力 的作用，悬臂将会弯曲。为检测悬臂的微小弯 曲量（位移），采用激光照射悬臂的尖端，四 象限探测器就可检测出悬臂的偏转。 通过电子
界第一台新型的表面分 析仪器— — 扫描隧道显 微镜（ Scanning tunneling microscope， 简称STM）。
❖ 1990年美国国际商业机 器公司（IBM）的艾格 勒在镍金属（110）表面 用35个氙原子排出 “IBM”字样。
❖ 1993年中国科学院北京 真空物理实验室操纵原 子写出“中国”二字。
纳米神算子—— 分子算盘
科学家把碳60分子每十个 一组放在铜的表面组成了 世界上最小的算盘。与普 通算盘不同的是，算珠不 是用细杆穿起来，而是沿 着铜表面的原子台阶排列 的。
Structure of Sodium Chloride
Images of NaCl obtained using Scanning Tunneling Microscope
ⅰ.表面效应 ⅱ.体积效应 ⅲ.量子尺寸效应 ⅳ.宏观隧道效应
ⅰ. 物 理 的 蒸 发 冷 凝 法
ⅱ.分子束外延法 ⅲ.机械球磨法 ⅳ. 化 学 的 气 相 沉 淀
法
ⅴ.液相沉淀法 ⅵ.溶胶-凝胶法 ⅶ.水热法
五.纳米材料的若干结构表征方法：
❖ ⅰ.扫描隧道显微镜（ Scanning Tunneling
一、纳米的概念：
纳米（ nanometer）一词中的 “纳”（nano)源出于希腊文,意 指“侏儒”,现在纳米作为微观世界 里的长度单位,一纳米等于十亿分 之一米,大约是10个氢原子紧密排 列的长度，或人的一根头发粗度 的10万分之一. 即1nm=10-9m.
纳米尺度的图片概念
二.纳米科技重大事件：
❖Ⅰ、纳米材料的定义：
纳米材料，指的是具有纳米 量级（1~100 nm）的晶态或 非晶态超微粒构成的固体物 质。 纳米材料真正纳入材料科学 殿堂是德国科学家Gleiter等 于1984年首用惰性气体凝 聚法成功地制备了铁纳米微 粒，并以它作为结构单元制 成纳米块体材料。
多孔纳米线
Ⅱ.纳米材料的性能及制备方法：
TappingModeTM AFM
Cantilever以一定頻率上下震動, 並使探 針掃過整塊材料, 以分析其表面結構
Non-contact Mode AFM
可應用於相變化光碟的分析
Laser Light Detector
Laser
AFM Cantilever AFM Tip
Piezoelectric heads sample movements
❖ 1959年，著名物理学家 理查德·费曼（Richard Phillips Feynman ） 设想：有一天如果能按 自己的愿望任意摆布原 子的排列，人类就将成 为真正意义上的“造物 主”。这是关于纳米技 术最早的梦想。
❖ 1982 年，国际商业机器 公司（IBM)苏黎世实验 室的葛·宾尼（Gerd Binnig）博士和海·罗雷 尔（Heinrich Rohrer） 博士共同研制成功了世
國立交通大學 光電工程研究所 光資訊儲存實驗室
Adjustable detector mirror
原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscope)
結構示意圖
Laser aiming screws
Laser Primary lens
Controller
Computer
Digital Signal Processor
Electronics Interface
Microscopy 简称 STM）：一种基于电子隧 道原理的显微镜，在2个距离非常小(典型的 只有几Å)的导体间并在外加电场作用下，电 子可以穿过2个导体间势垒而流动的现象称为 隧道效应。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
经典理论和量子理论的差别
扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜工作原理示意图
48个铁原子在铜表面排列成直 径为14.2 纳米的圆形量子栅栏
学反馈系统使弯曲量保持一定，即控制扫描管 Z 轴使作用于针尖——样品间的力保持一定。 在扫描的同时，通过记录反馈信号就可以得到 样品表面的形貌。
原子力显微镜“分选”和“搬运” 德国JPK Instruments 公 分子 司生产的原子力显微镜
Laser reflection window Mirror adjustment screws
AFM的應用
MFM : EFM :
探針上鍍上一層磁性物質, 利用磁性相斥相吸的特性, 量測某材料表面不同磁性的區塊, 通常會先以
AFM掃過一遍, 以扣除凡得瓦爾力作用的影響 每種材料功函數(Work function)不同, 利用此特性量測某(複合)材料表面不同組成的區塊, 通常會先
以AFM掃過一遍, 以扣除凡得瓦爾力作用的影響