現(xiàn)代分析測試方法-STM

原子力顯微鏡AFM（原子間近距作用力）磁力顯微鏡

MFM（磁力-磁特性研究）靜電力顯微鏡EFM（靜電力—電特性研究）掃描探針顯微鏡分類掃描隧道顯微鏡STM（隧道電流）掃描力顯微鏡SFM（原子間相互作用力）

STM工作原理及儀器結(jié)構(gòu)STM主要應(yīng)用掃描隧道顯微術(shù)STM基本原理：基于量子的隧道效應(yīng)將原子線度的極細針尖和被研究物質(zhì)的表面作為兩個電極；利用壓電陶瓷材料控制探針在樣品表面掃描；當樣品與針尖的距離非常接近時（通常小于1nm），在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的絕緣層流向另一電極；隧道電流強度對針尖與樣品表面之間距非常敏感，如果距離減小0.1nm，I將增加一個數(shù)量級。記錄隧道電流的變化并把信號輸入計算機進行處理；在熒光屏或記錄儀上獲得樣品表面高分辨率信息；掃描隧道顯微鏡工作原理

STM恒電流模式：利用電子反饋線路控制隧道電流的恒定，并用壓電陶瓷材料控制針尖在樣品表面的掃描，則探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表面的起伏。具有原子級空間分辨率：平行和垂直于表面方向的分辨率分別可達0.1nm和0.01nm，即可以分辨出單個原子；可實時地得到在實空間中表面的三維圖像：可以得到單原子層表面的局部結(jié)構(gòu)，而不是體相的平均性質(zhì)；因而可用于具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)；可以直接觀測局部的表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置，以及由吸附體引起的表面重構(gòu)等?？稍谡婵?、大氣、溶液以及低溫、常溫、高溫等環(huán)境中工作：非常有利于對表面反應(yīng)、擴散等動態(tài)過程的研究；不需要特別的制樣技術(shù)并且探測過程對樣品無損傷：非常適用于研究生物樣品和在不同實驗條件下對樣品表面的評價；配合掃描隧道譜（STS）可得到表面電子結(jié)構(gòu)信息：如表面價電子軌道狀態(tài)、表面電子陷阱、電荷密度波、表面勢壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等；掃描隧道顯微技術(shù)特點主體：探針、試樣臺、防震臺、掃描控制器件電子控制單元計算機控制數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)其它輔助系統(tǒng)（如CCD、超高真空系統(tǒng)等）儀器基本結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵器件P47—SPM—MDT多模式大氣環(huán)境主體結(jié)構(gòu)掃描隧道顯微成像，原子力顯微成像（接觸和非接觸），相位成像，側(cè)向力成像，掃描電容成像，磁力顯微成像，表面修飾（Lithography），力顯微成像，掃描隧道譜，局部彈性和黏度測量，I（U,R,t)和(Z,R,t)的測量，SNOM近場光學顯微成像；㈠數(shù)字化STM:全部操作微機控制—自動化程度高；㈡袖珍型STM：主體尺寸50mm×45mm—抗干擾能力強；㈢大視場STM：掃描范圍nm×mm級—適合尺寸和表面起伏較大的樣品;㈣電化學STM：在電化學溶液中進行實時研究—形貌及電化學過程;㈤低溫STM：在液氦溫度下得到高分辨圖像—用于高溫超導(dǎo)材料;㈥超高真空UHVSTM；可對表面結(jié)構(gòu)、表面氣體吸附等進行原子級研究;㈦SEM—STM聯(lián)用：在SEM試樣室內(nèi)實現(xiàn)STM操作—適合非均勻試樣;㈧OM—STM聯(lián)用：在CCD攝象機監(jiān)控下工作—適合非均勻試樣及生物樣;㈨多功能UHV-STM-LEED-AES聯(lián)合系統(tǒng)：以STM為核心進行多種原位分析;掃描隧道顯微鏡主要類型及特點P7—SPMUHV—MDT超高真空低溫STM

工作模式：STM，微弱電流STM，AFM（接觸和非接觸式），相位成像PhaseImaging，側(cè)向力成像LFM，磁力成像MFM，電場力成像EFM，掃描電容成像SCM，表面修飾Lithography，擴散電阻成像SpreadingResistance；主要特點：可選單/雙真空室，采用激光檢測探針懸臂位移，可以使用普通AFM針尖，降低實驗成本，CCD攝像機監(jiān)視探針掃描過程，可在真空環(huán)境中更換樣品和針尖；樣品溫度：300-500K或100-700K表面、亞表面原子結(jié)構(gòu)及形貌信息分析；原子、分子操縱；納米結(jié)構(gòu)加工；納米物質(zhì)單元性能測定；掃描隧道顯微鏡主要應(yīng)用領(lǐng)域Spider-likedefectoncleavedHOPGsurface.0.25x0.25μmscan(s)size.Mode:STMTopography(I=const)

STMatomicresolutiononHigh-OrientedPyrolyticGraphite.Mode:

STMTopography(I=const)SuperstructureonthesurfaceofoxidizedHOPG.SampleofHOPGwasannealedinairat700oCduring3minutes.Mode:STMTopography(I=const)STMimageofParvoVirusonHOPG.64x64nm.Mode:STMTopography(I=const)中國科學院化學研究所的科技人員利用自制的掃描隧道顯微鏡，在石墨表面上刻蝕出來的圖象。圖形的線寬實際上只有10nm?；驹恚煌ㄟ^探測原子間相互作用力獲取物體表面信息；壓電陶瓷管帶動樣品在力敏彈性微懸臂下掃描；利用隧道電流法、激光束偏轉(zhuǎn)法等來監(jiān)測微懸臂的位移—測定微懸臂形變量，得出微懸臂尖端處的原子與試樣表面原子間作用力；在反饋系統(tǒng)作用下，通過掃描過程中保持作用力恒定，測得探針對應(yīng)于掃描各點位置的變化；或者保持探針高度守恒，測得掃描各點探針、樣品間相互作用力的變化即可獲得樣品表面信息。原子力顯微鏡工作原理LaserSampleXYZPiezoelectricScannerPositionSensitivePhotodiodeMirrorTipCantilever激光束偏轉(zhuǎn)法：在微懸臂背面加反射鏡及增加二元位置靈敏光電二極管—將激光束聚焦在微懸臂背面的鏡面上，當微懸臂的針尖在樣品表面掃描時由于表面各處的性質(zhì)不同，相互斥力也不同，導(dǎo)致反射光的偏轉(zhuǎn)量不同，用一個二元的位置靈敏光電二極管測出經(jīng)放大后的不同反射光偏轉(zhuǎn)量，即可得到對應(yīng)的試樣表面形貌；微懸臂形變的檢測—激光束偏轉(zhuǎn)法主體：微懸臂、試樣臺、防震臺、掃描控制器件電子控制單元計算機控制數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)其它輔助系統(tǒng)（如CCD、控制氣氛、超高真空系統(tǒng)等）儀器基本結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵器件接觸模式—力調(diào)制模式半接觸模式—輕敲模式非接觸模式—插行掃描模式力曲線模式AFM基本操作模式SFMimageofMicaatomiclattice.6x5nmMode:ContactAFM(F=const)AFMimageofmonolayerstepsonSi(111)surface.572x651nmMode:ContactAFM(F=const)

SFMimageofthesurfaceofintegratedcircuit.52x48μmMode:ContactAFM(F=const)Livehumanembryofibroblast(primaryculture)inbuffersolution.

Imageisobtainedincontactmodeinliquid.

Mode:ConstantForcemodeScansize:55x55x2.0

μmForceModulationimageoftwo-componentLB-film

Scansize:2.5x2.5umAFMimageofCDStamper.RoughnessonTop(Sa)=2,291nm.RoughnessonBottom(Sa)=3,268nm.15.8x15.3μmscan(s)size.Mode:Resonantmode(Topography)(f=378.6kHz)SFMimageofdiamond-likefilmonglass.286x280nmMode:Resonantmode(Topography)Topography(left)andphaseimage(right)接近，但未接觸跳躍接觸接觸粘附脫離原子級表面形貌信息：絕緣體/半導(dǎo)體/導(dǎo)體/生命體；實環(huán)境、實時檢測：生理環(huán)境—nm級分辨率；三維空間定量：精確測定縱向(高度)值;物質(zhì)的組成研究：力調(diào)制技術(shù)及相位成像技術(shù)；納米尺度的物性測定：力曲線技術(shù)；納米加工技術(shù)；

原子力顯微鏡的應(yīng)用前景AFMOxidationLithography闡述定域化學和機械性質(zhì)：微懸臂形變量與微懸臂的彈性系數(shù)乘積得到AFM探測力—具有pN數(shù)量級上的力靈敏度；測量基本力：涉及物理、化學、材料科學和許多其他原理的表面間基本相互作用力—粘附力、彈力、摩擦力等；例如不同體系間的吸引范德華力和吸引/排斥靜電力的本質(zhì)（金屬探針—絕緣云母表面；絕緣探針—絕緣體；）生物體系應(yīng)用：生物物質(zhì)上進行納米機械測量（如粘彈力）—鍵斷裂強度或長度；血細胞體系的結(jié)構(gòu)和動力性質(zhì)；細胞粘附分子的結(jié)合強度；藥物反應(yīng)；材料科學應(yīng)用：納米級機械性質(zhì)—薄膜和聚集體納米尺度機械性質(zhì)；納米刻壓和粘附性、彈性、摩擦性質(zhì)—高聚物和有機膜；壓痕和塑變—金屬、半導(dǎo)體表面的刻壓和微機械；力曲線分析技術(shù)的應(yīng)用研究進展：DNA、蛋白質(zhì)、聚合物、碳納米管等較大的分子—尺度較大，量子力學的波粒二相性很?。粏畏肿恿ψV：揭示聚合物和生物分子特性—將待研究的生物分子固定到AFM針尖或基底上，利用針尖對其進行受控拉伸，通過測定力譜（力曲線）研究外力作用下單個分子的力學性能；單分子反應(yīng)性質(zhì)：個性反應(yīng)性質(zhì)—對化學反應(yīng)規(guī)律（大量分子反應(yīng)的統(tǒng)計結(jié)果）的本質(zhì)研究；如生理環(huán)境下直接觀察生物分子生物活性條件下的形態(tài)和功能—生命過程跟蹤；單原子與單分子操縱：實環(huán)境下在原子尺度上構(gòu)造結(jié)構(gòu)—搬動、彎曲、剪切生物分子等—研究分子的各種物理化學性質(zhì)或構(gòu)建特殊納米器