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扫描探针显微镜技术


| 5.    

/争 一 
物 理 通 报 

撇  

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19   5年 第 1 9 0期 

科 技 前 沿 

( 中国科 学院化 学 所  1 0 8 ) 0 0 0 
1 8 年 .B 公 司 苏 黎 世 实 验 室 发 明 了 一种 新  91 1 M 型 的 表 面 分 析 仪 器  扫 描 隧 道 显 微 镜 (c n ig S a nn 

作为 两 个 电歌 , 当样 品 与 针 尖 的 距 离 非常 接 近 时  ( 常小 于 l m) 在外 加 电场 的作 用 下 , 通 n , 电子 会 穿 
过 两 个 电 极 之 间 l 绝 缘 层 流 向 另 一 电 极 。 种 现 象  的 这

F n eigM i oc p . TM ) 。 此 后 的 短 短 几  u n l   c so e S n r   在

年里. 它  独特 的性 能激起 了 _界 各 国科 学家 的极  廿 大兴 趣和 热情 困此 . 其在 表 面科 学 、 料科 学及  与 材
生 命 科 学 等 研 究 领 域 中 获 得 广 泛 应 用  相 同 步 ,  

称为 隧道 教应 。 隧道 电流  是 电子 波 函数重 叠 的量 
度。 它对 针尖 与样 品表 面 之 间距 S非常 敏感 , 果  如 距离  减 小 0 1 m, . n  将增 加 一个 数 量级 。 固此 , 利  用 电子 反馈 线路 控制 隧 道 电流 的恒 定 , 井用 压 电陶 

S M 仪器 本身 及 其 相 关 仪器 也获 得 了 蓬 勃 发 展 。 T   在8 0年代 , 继 诞 生了 一 系 列在 主 要 结 构和 工 作  相 万 式 方 面 与 S M 相 似 的 显 微 仪 器 用来 获取 用  T S TM 无法 获 取 的 有 关 表面 结 构 和 性 质 的 各 种 信 
这 个 目 前 被 称 为 扫 描 探 针 显 策 镜 ( c n ig S a nn   P o eM i o cp ,P ) r b  c so e S M ”的 显 微 仪 器 家 族 还 在 不  r 断 发 展 . 为 ^ 娄 认 识 微 观 世 界 的 有 力 , 具 。 文  成 [ 率 舟 绍儿 种古 代表性 的扫 措探 针显 微镜 。  

瓷材 料控翩 针尖 在样 品表面 的扫 描  探针 在垂 直  则
于样 品方 向 上高 低 的 变化 就 反 映 出 了样 品表 面 态 
密度 的分 布或 原子排 列 的图像 。  

与其 它 表 面分 析 技 术 相 比 ,TM 具 有  下优  S
点:  

( ) 有 原子 级 的 敏高 分 辨 率 。 行 和垂 直 于  a具 平
表 面 方 向 的 分 辨 率 分 别 可 达 1 和 d 1  即 可 以  ^ .  A 分辨 出单 十原子 。   ( )可 实 时 地 得 到 在 实 空间 中 表 面 的 三 维 图  b

l 扫 描隧道 显微 镜 
扫 描 隧 遭 显微 镜 ( TM )的 工 作 原 理 是 基 于 量  S r的 隧道 效应 . 主要 由压 电 陶瓷扫 描 控制 器 、 它 针 

像, 可用 于具 有周期 性 或 不具备 周期 性 的表 面结 构  研究 。 种 可以实 时观 测 的性 能 非常有 利 于对 表 面  这
反 应 、 散 等 动 态 过 程 的 研 究  扩

足撵  垣 近装 置 、 于 馈 回路 以 及数 据 采 集 、   电 反 回
像 处 理 系统 组 成 。 的 ]作 原 理 如 图 1 示  它 : 所
2应 请 

.  

() 以得到 单 原 子层 表 面 的 局部 结 构 , 不  c可 而 是对 体相 的 平均 哇质  困此 可  直 接观 测 到局 部 的  表面 缺 陷 、 面重 构  面 吸 附体 的形 态和位 置 以  表 表 厦 由吸 附体引 起的 表面重 构等 。  
( ) 在 真 空 、 气 、 温 、 温 等 不 同 条 件 下  d 可 大 常 低

工作 , 至样 品可 浸在 承 电解诚 中。 些特  非常  甚 这 适 用于 研 究 生物 样 品郭 在 不 同实 验条 件下 对样 品  表 面 的表 征 , 如 对 催化 机理 、 导 材 料 的超 导机  例 超 制、 电化 学反 应过 程 中 电极 表面变 化 的监测 等 :  
( ) 获 得 样 品 表 面 形 貌 的 同 时 , 可 得 到 扫  e在 亦

描隧 道谱 ( TS t 用 它 研 究 表 面 的 电子 结 构 , S )可 如  表面 竹 电  轨 道状 态  面 电子 陷阱 电荷 密度 艘 、 表  
表面 势垒 的变化 和能 隙结 构等 :  
圈 1 扫 描 隧 道 显 微 镜 原 理 图   

()用 S f TM 针 尖可 以操 纵单 个 的原子 或分 子 ,   叮对 表面 进行 纳米尺 度上 的微 加工 
2 原 子 力 显 微 镜 


将 腻 子 线 空 的 极 细 针 尖 和 教 研 究 物 质 的 表 面 

1 一  

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19 9 5年 第 1 0期 
、  

物 理 通 报 

科 技 前 沿 

基 于 量子 的 隧 道 效 应 .TM 工 作时 要 监测 探  s
针 和 样 品 之 间 隧 道 电流 , 此 只 限 于 直 接 观 测 导 体   因 或 半 导 体 的 表 面 结 掏 对 于 非 导 电 材 料 须 在 其 表 面 

动 的力敏 元件 所产 生影 响的 方法 , 些 力的 测量 都  这
是 可 行 的 因 此 在 AF 基 础 上 , 据 所 测 力 的 不   M 根

同 , 继 发 展 起 来 了 磁 力 显 微 镜 ( g ei F re 相 Ma n t   oc  c
Mirso e M F ) co c p , M ,静 电 力 显 微 镜 ( lcr sai  E eto tt c

覆盖 一层 导 电膜  电膜 的 存在 往往掩 盖 了表面结  导 构 的细 节 , S 使 TM 失 击 了能 在原 子 尺 度上 研 究 表  面结 构这 一 优 势 。 即使 对 于导 电样 品 .TM 观 测 到  S 的是 对 应 于表 面 费米 能级 处 的态 密度 当表 面存 在 
非 单 一 电 子 态 时 , M 得 到 的 是 表 面 形 貌 和 表 面  SF 电子 性 质 的综 台 结 果 。 了 弥 补 S 为 TM 的 不 足 ,  6 l 8  9

F reMi oc p , F o c  c so e E M) 摩 擦 力 显 微 镜 ( trl r , Laea 
F reM i o c p , F ) 。 们 可 统 称 为 扫 描 力  o c  c so e L M 等 它 r

显 微镜 (cn igF reMirso e F   FM 主  S a nn   o c  co c p  M)S S
要 由 以 下 几 部  组 成 : a ( /带 探 针 的 力 敏 元 件 ;b   ()

力敏元 件位 移检 测 装置 ;c ()电子 反馈 回路 ;d ( )压  电陶瓷 扫描 控 制 器 Ie ()图象 显示 系统 = 由此 可 见 ,   除了 力 敏 元件 上探 针 的性 质 不 同 外 , 余 部 分 与  其
AF 基 本 相 似  然 , L M 外 , F 和 E M 的  M 当 除 F M M F

年 Bn i 人发 明 了原予 力 显微 镜 ( o cF re ing等 Atmi o c   
M ir c e ? FM )  e 0s 0p A [
。 

. 

AF 的 工 作 原 理 如 图 2所 示 : 一 个 对 微 弱  M 在

力非 常敏 感的 徽悬 臂上有 一 十针 尖 , 当针 尖轻 轻接  触样 品表 面原 子 , 并使 样 品与 针尖 的相对 位置 变化  (4品或 针尖 扫描 ) , 品表 面高 低起伏 会使 微悬  f 时 样 臂的 自由端随 着表 面的 起伏 而上 下 运动  通过 用隧 
道 电 流 或 光 学 方 法 柱 测 微 悬 臂 的 位 移 , 实 现 对 探  可

探 针 都 远 离样 品 表面 , 采用 非接 触 模式 。 擦 力  即 摩 显微镜 是根 据徽 悬臂 的侧向 扭 曲程度 , 来探 测样 品  表面 唪擦 力的 不 同 j M 则是 通 过 捡 测磁 性 样 品  MF 对 磁性针 尖 的作 用来研 究 表面 磁畴和 分 布} 而  E M 则是 通 过带 电荷 的针尖 与带静 电荷 的样 品 之  F
间 的 相 互 作 用 , 研 究 表 面 静 电 力 的 分 布 。 于 篇  来 限 幅 , 文 难 以对其 原理 、 掏及 应 用做 详细 介 绍 , 本 结 有 

针尖 端 原 子与 表 面原 子 之 间 的排 斥 力 ( 0 )的监  1  测. 进而 得到 表 面 形貌 像 = 由于 不需要 在 探 针 与样  品 间形 成 电回路 , 突破 了样 品导 电性 的 限制 , 因而 
有 更 加 广 泛 的 应 用 领 域 

兴趣 的读者 , 可参 阅文献  =   4 扫描 隧道 电位 仪   
扫 描 隧 道 电 位 仪 ( a nn  Tu n l g c S n ig n ei   n

P tnimer ,TP 与 S oet o ty S ) TM 的不 同在于样 品表面 
即…  
X. Y 

叉加 了一个 电极 ( 共有 两个 电极 ) 样 品 与探 针之  一 。
电 

传 忘 器 

间 加 一 交 流 电 压 , 馈 系 统 利 用 由 这 一 交 流 电 压 产  反

陶瓷 

生 的交 流 隧道 电流来控 制 隧道 间隙 的恒 定 当探 针 
在 样 品表面 扫描 时 , 另一控 制 回路通 过 用探 针上  用

计  机 和 l  
显 示嚣 j  
r 控 制 

的 电压连 续 跟 踪 样 品上 的 电 压使 隧道 电流 中 的直  流分量 为零 因此 探 针上 的 电压 等于 样 品表面 上 每 


点的 电压 :TP可 用 来 测量 纳 米 尺 度 的 电位 变  S 化 , 肖特 基 势 垒 t Ⅳ 结等 t 电压 分 辨率 为 几个  如 P 其
毫伏 ;  

图 2 AF 的工 怍 原 理 图    M

Bn i 人研 制的第 一台 AF 当时 只有 3 m  ing等 M n 的横 向分 辨率  9 7 1 8 年斯 坦 福大学 Qu t ae等人 报导  了他 们 的 AF 达 到 了原 子级 分辨 率 18 M 9 8年 底 中 
科 院 化 学 所 研 制 成 功 国 内 首 台 具 有 原 子 分 辨 率 的  AF 此 基 础 上 , 研 制 成 激 光 检 测 AF r   M  又 M   。

5 弹道 电子 发射 显微镜   
金 属 /半 导 体 的 界 面 特 性 , 电子 穿 透 特 性 是 半 

导 体物理 中的 一十重 要 问题  统 的界 面探 测方 法  传 具有报 低 的空 间分 辨率 , 只能得 到关 于 界面 特性 的 

平均 信 息 。 弹道 电子 发射 显微 镜 ( al t   lcrn B lsi E eto   ic
E s i   co cp , E mis n Mirso eB EM )是 在 S o TM 的 基 础 上 

3 其 它 扫描 力显微镜    AF 探 针与样 品表 面相 互作 用 力主 要是 短 程  M
的 原 子 ^ 斥 力 如 果 将 探 针 离 开 表 面 1 日 1 0~ 1 0 m  0r i 时 . 据 样 品 的 性 质 , 可 以 探 测 到 样 品 表 面 存 在  依 将

发展 起来 的 , 能直接 对界 面进 行实 时地 无 损伤 探  它
测 并具有 纳米 级分 辨率 。。 。  ]

图 3 B M 的工 作原理 图 ; EE 所用 的样  是 EE B M 品是金属 / 导体 构成 的 肖特基 势 垒异 质结 。 半 在位  于 金属膜 表面 的探 针和 膜之 间施加 一定 电压时 , 通 

的 磁 力 、 电力和 范 德 瓦 尔斯 力 等长 程作 用 力 。 静 利  用 AF 工 作 原理 , 监控 被 涮表 面性 质 对 受迫 振  M 用
2一 

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19 9 5年 第 l O期 
过 隧 道 教应’探 针 发 射 出 隧道 电子 并进 入 金 属 膜  ,
中 这 些 低 能 电子 在 金 属 中 的 衰 减 长 度 约 为 1h   O m。

桕理 通报 

科 技 前 沿 

调 节到 样品 表面 附近 . 测 滴管 内电极和 在 电解 池  监 中另一 电极 之 间电导 的变 化 。 由于 当滴管 接近 表 面 

如果 膜厚 在 l n O m左 右 时 , 有些 电子 将 达到 界 面处  而 没有能 量损 失 。 当探针 与 膜 之间 偏压大 于界 面 势  垒 V  时 , 些 电子 有 足 够的 能 量穿 过 势 垒进 入 收  这 集极 形成 电流 , 。 c 相反 , 如果 偏压 小于  , 电子不  则 能 穿过势 垒而 收集 极没 有 电流 : 通过 连续 改变 偏 压  测量 电流 c , 值 就能 得到  —  谱 。c , —  谱 直接  表征 了界 面上 局域 肖特基 势皇高 度 , 界面 的缺陷 结  构 等  果探针 在金 属 表面 “恒 流模 式 扫描 时 采集  如

时 , 许离 子 流过 的 空 间减 小 , 子 电导 也 随 之 抵  允 离
小  在 滴 管 探 针 扫 描 时 , 过 反 馈 电 路 使 探 针 上 下  通

移 动  保 持 电导 守恒 , 可 获得 样 品表 面 的形 貌 。 则   由 于 SC 在 电解液 中工 作 , IM 很适 用于进 行 生物 学  和 电生理 学 的研 究 。 其分 辨率 在亚微 米量 级 :  

S TM 信号 和 , c信号 , 就能 同时 得到 表 面 形貌 像 和 
界 面 图像 。  

B E 是 目前 唯 一 能够 在 纳 米尺 度 上无 损探  E M 剃 表面 和界 面结构 的 先进 分析 仪 器 。 由于其 收集摄 
电 流 , 通 常小 于 10 A, 此与 S c 0P 因 TM 相 比 , 展  发

B EM 更 具 有 挑 战 性 。国 际 上 目前 只 有 J L和  E P AT& 等著 名 实验室 拥有 自行研 制 的仪器 。 国 内 T 在   中国 科学 院 化学 研 究 所 已研 制 成 功 B EM , E 并对 
A ̄ S / i及 Au Ga / As系 统 进 行 了 观 测 研 究 , 得 了 取   初步 成果 。  

圈 5 扫 描 热 显 微 镜 原 理 圈   

两 种金 属才 结合 在 一起 , 图 5所示 = / 结 点起  如 钨 锦 热 电偶 的作 用 , 产生 一 个 与温 度 成 正 比的 电压 。 它   首 先将探 针 稳定在 样 品表 面 , 向结 点通 直 流 电来  并
图 3 B M 的 原 理 图    EE

加热 , 当探 针散 失到 空 气中 的热 量等 于 电流提 供 的  能 量 时 , 端 的温 度 就 稳定 下来 , 时探 针 比环境  尖 这

6 扫描离 子电 导显 微镜   
扫 描 离 子 电 导 显 微 镜 (c n ig o — S a nn  In   C n u tn eM i oc p ,I )的 原 理 如 图 4所  o d ca c  c so e SCM r

温度 高几度 。 当探 针接 近样 品时 , 量 向样 品 流 失  热
由 于 样 品是 固体 , 传热 性 比空气 好 ,泶 的热 量  其   针 散 失速 率 将 增 加 , 是探 针 尖端 开 始 冷 却 , 电偶  于 热 结上 的电压 也 随之 下降  通过 用 反馈 回路 调 节探 针 
3  

示 将一 十 充满 电解液 的微 型管 作 为扫 描探 针 , 非 

导 电榉 品放在 一个 电解液 存储 池 底部 。 滴管 探 针  将

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19   5年 第 l 9 0期 
与 样 品间 隙 , 而 控制 恒温 扫 描 , 获得 表 面起 伏  从 可
情 况 = 这 种方法 已经 嵌得 了红 细胞 的表面 形貌 。 甩  

物 理 通 报 
用。  

科 技 前 沿 

参 考 文 献 
】   G  nn g e   . Bi i  ta1 App . y  Le [ 4 No [ Ph s t . 0,  2, 7 1 82   】 8( 9 1

8 光 子扫 描隧道 显微 镜    光 子 扫 描 隧 道 显 微 镜 ( h tn cn ig P oo  S a nn   T n eigMirso eP TM)是用 光学 探 针 探 测  u n l   co c p  S n
样 品 表 面 附 近 被 内 全 反 射 所 激 励 的 瞬 衰 场 , 而 获  从

2 白春礼. 描 隧道 显散 术及其 应用 . 海 科技 出 版社 .   扫 上  
19 9 9 

3 G  n g C.   Bini F Qu e. . r e pa s at Ch Ge h r: y  Re . t  6. v Le t5  
93 19 1 0( 86  

得 表 面结 构信 息 。 分 辨 率 远 小 于 A 射 光 的 半 被  其
长 .  

4 吴 搜 瀚 .白 春 } 科 学 通 报 . 8 9 . 9 ( 9 3      3 /1701 9 )
5 白 春    理 2 ( ) 1 2 1 9 j   L物 0 3 . 3 (9 ] 

P TM 的 原 理 和 工 作 方 式 在 许 多 方 面和 S S TM 

6 王大 史 白 春 礼 现 代 科 学 仪 器 .  419 2    34 19 1



相似 。 TM 用 电子 隧道 效应 , P TM 则是 用光 子  S 而 S 隧 道 效 应 . 图 6所 示 当界 面两 边 物 质 的折 射率  如 满 足一 定条件 时 . 束 内全 反射 光 会导致 界面 的 另  一


白春 礼 真 空 科 学 与 拄 术 . 1 4 9 1 1 9 ) 1 1 ) 1 (9 1 

s 白 春 札 原 子 、 子 的 观 察 与 操 纵 .湖 南 教 育 出 版 社 ,   分  
1 5 99  

侧产 生一个 瞬衰 场 。 其强 度 随离 界面 的距离 成 指  内 , 射光 的一 些光 子 会穿 过 界面 和光 学探针 之 间  A 的势垒 , 即产 生 光子 隧道 效 应 。 生 的光 子经 过 光  产

9 白 春 札 蚋 米 科 学 与 技 术 . 南 科 技 出 版 杜 ,9 4   云 19 
1  c 白 春 札 . c n ig Tu n l g S a nn   n ei  Mir so y a d t  n co c p   n  i s
A p i a i n . rng r 1 9   plc to Sp i e . 9 5
“ “. 。 ….¨      “ “ .¨   “   .¨  … “   “   “   .¨.   。   。 .“ …  

数 关 系 当 一 光 学 探 针 调 节 到 样 品表 面 的 瞬 衰 场 

导 纤维 传到光 电倍 增管 并 转换 成 电信 号 。 后 的 工   
作 情况 和 S M 一样 。 T   用 P TM 已观 测 到 了 波 导 瞬 衰 场 的 衰 减 长 度  S 和 表 面 形 貌 , 石 英 表 面 、 学 、 栅 等 的 观 察 也 取    光 光 得 了一 些 初 步 结 果 。  

迎接 自然 科 学面临 的最 大挑战 

;  

认知 科学 发 展研 讨 会 召开 
“、 』的大脑是自 然进化过程中最伟 ;    
尢 的杰 作 . 底 揭开 大 脑 的奥 秘 是 自然  ! 韧  

另 一种 具 有 亚波 长 分辨 率 的 光 学 显 微镜 是 扫 
描 近 场 光 学 显 微 镜 ( a nn   a c S n igNer— f l  t a i dOpi l e c  M irso e , N co c p S OM ) 这 种 显 微 镜 本 文 不 详 细 弁   。

科 面 的 大 挑 。这 中 科   ; 学 临 最 的 战  是 国 学  
i 院 院 长周 光 召在 全 国科 技 大会 讲 话 中指    
出的 。 为迎 接 这 一拢 战 . 国认 知 科 学 发  我 i 展 战 略研 讨 会近 日在 中国 科 大研 究 生 院  i    
’ L -
-  

绍, 有  趣 的读者 可 参阅有关 书藉 

.  

召开 。 自国 内高 等 院校 、 来 自然科 学 与 医  学 界 的代 表 以及 在认 知 科 学领 域 做 出优  秀 成 果 的 留 学 生 代 表 近 百 人 参 加 了会 
!  

议 。  

中 国科 学院 副院 长 许 智 宏在 开 幕 式 

光针 / 纤   


的讲 话 中 指 出 : 知科 学 具有 重 大应 用  认
’  

i  



~ 

’  

前景 一 方 面 , 索 人 脑 的认 知 过 程和 模  探

:  

.  

式 , 创 造 性 地 发 展 计 算 机 科 学 是 一 项  i 对  
必 须 的 选 择 。 几 年 . 界 上 已兴 起 ^ 工  近 世 神 经 网 珞 的 新 产 业 , 基 础 研 究 到 应 用  由 研 究 直 到 产 业 的 如 此 短 的发 展 周期 . 代  表 r认 知 科 学 的 进 展 和 影 啊 另  面  i  

\  \
图 6 光 子 扫 描 隧 道 显 徽 镜 原 理 图   



结柬语 

认 知科 学 的发 展 必然 带 来人 娄 对 自身 所 

以 上对扫 描 探针 显 微镜 作 了简要 介 绍。 甩  S M 我们 可 以获 得 物 质表 面 物 理 的 、 学 的等 有  P 化 关信 息 。 着 时 间的 推移 ,P 将 会 不 断得 到发 展  随 SM 完善 . 在探索 微观 世 界 的奥秘 中 发挥 越来 越大 的作 


4 一  


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