第三章 掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡

第三章掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡

第一節(jié)掃描隧道顯微鏡（STM）

一、引言(ScanningTunnelingMicroscopy)1982年，IBM瑞士蘇黎士實(shí)驗(yàn)室的賓尼（G．Binning）和羅雷爾（H．Rohrer）研制出世界上第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡。1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金．STM使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物化性質(zhì)。在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣泛的應(yīng)用前景，被國(guó)際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一。STM具有如下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

1.具有原子級(jí)高分辨率，STM在平行于和垂直于樣品表面方向上的分辨率分別可達(dá)0.1nm

和0.01nm，即可以分辨出單個(gè)原子．

這是中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所的科技人員利用納米加工技術(shù)在石墨表面通過(guò)搬遷碳原子而繪制出的世界上最小的中國(guó)地圖。2．可實(shí)時(shí)得到實(shí)空間中樣品表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)的研究，這種可實(shí)時(shí)觀察的性能可用于表面擴(kuò)散等動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究．

3．可以觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，而不是對(duì)體相或整個(gè)表面的平均性質(zhì)，因而可直接觀察到表面缺陷。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．硅111面原子重構(gòu)象

對(duì)硅片進(jìn)行高溫加熱和退火處理，在加熱和退火處理的過(guò)程中硅表面的原子進(jìn)行重新組合，結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，這就是所謂的重構(gòu)。

4．可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作，樣品甚至可浸在水和其他溶液中，不需要特別的制樣技術(shù)并且探測(cè)過(guò)程對(duì)樣品無(wú)損傷。這些特點(diǎn)特別適用于研究生物樣品和在不同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)樣品表面的評(píng)價(jià)，例如對(duì)于多相催化機(jī)理、電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中電極表面變化的監(jiān)測(cè)等。液體中觀察原子圖象

下圖所示的是在電解液中得到的硫酸根離子吸附在銅單晶(111)表面的STM圖象。圖中硫酸根離子吸附狀態(tài)的一級(jí)和二級(jí)結(jié)構(gòu)清晰可見。

5．配合掃描隧道譜（STS）可以得到有關(guān)表面電子結(jié)構(gòu)的信息，例如表面不同層次的態(tài)密度。表面電子阱、電荷密度波、表面勢(shì)壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等。6．利用STM針尖，可實(shí)現(xiàn)對(duì)原子和分子的移動(dòng)和操縱，這為納米科技的全面發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。7.在技術(shù)本身，SPM具有的設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格便宜、對(duì)安裝環(huán)境要求較低、對(duì)樣品無(wú)特殊要求、制樣容易、檢測(cè)快捷、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，同時(shí)SPM的日常維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用也十分低廉。1990年，IBM公司的科學(xué)家展示了一項(xiàng)令世人瞠目結(jié)舌的成果，他們?cè)诮饘冁嚤砻嬗?5個(gè)惰性氣體氙原子組成“IBM”三個(gè)英文字母。用STM移動(dòng)氙原子排出的“IBM”圖案

二、電子隧穿效應(yīng)

經(jīng)典理論認(rèn)為：金屬中處于費(fèi)米能級(jí)EF以上的自由電子逸出表面，必須獲得足以克服金屬表面逸出功φ的能量。當(dāng)一個(gè)粒子的動(dòng)能E低于前方勢(shì)壘的高度V0時(shí)，它不可能越過(guò)此勢(shì)壘，即透射系數(shù)等于零，粒子將完全被彈回。粒子可以穿過(guò)比它能量更高的勢(shì)壘，這個(gè)現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。

量子力學(xué)認(rèn)為：電子波函數(shù)ψ向表面?zhèn)鞑ィ龅竭吔?，一部分被反射（ψR(shí)），而另一部分則可透過(guò)邊界（ψT），從而形成金屬表面上的電子云。

隧道效應(yīng)是由于粒子的波動(dòng)性而引起的，只有在一定的條件下，隧道效應(yīng)才會(huì)顯著。經(jīng)計(jì)算，透射系數(shù)T為：T與勢(shì)壘寬度a，能量差(V0-E)以及粒子的質(zhì)量m有著很敏感的關(guān)系。隨著勢(shì)壘厚(寬)度a的增加，T將指數(shù)衰減，因此在一般的宏觀實(shí)驗(yàn)中，很難觀察到粒子隧穿勢(shì)壘的現(xiàn)象。當(dāng)金屬1與金屬2靠得很近時(shí)（<1nm）兩金屬表柬的電子云將相互滲透——電子隧道效應(yīng)。若加上小的電壓V（偏壓），則形成電流——隧道電流。圖電子隧道效應(yīng)與隧道電流(a)隧道效應(yīng)，(b)隧道電流的形成隧道電流I是電子波函數(shù)重疊的量度，與針尖和樣品之間距離S以及平均功函數(shù)Φ有關(guān)：

掃描隧道顯微鏡的基本原理是將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近(通常小于1nm)時(shí)，在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過(guò)兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘流向另一電極。

圖STM的基本原理圖三、掃描隧道顯微鏡的基本原理

尖銳金屬探針在樣品表面掃描，利用針尖-樣品間納米間隙的量子隧道效應(yīng)引起隧道電流與間隙大小呈指數(shù)關(guān)系，獲得原子級(jí)樣品表面形貌特征圖象。

頂部探針大?。褐睆郊s50~100nm。材料：通常是金屬鎢。針尖與樣品表面距離：一般約為0.3~1.0nm，此時(shí)針尖和樣品之間的電子云互相重疊。當(dāng)在它們之間施加一偏壓時(shí)，電子就因量子隧道效應(yīng)由針尖（或樣品）轉(zhuǎn)移到樣品（或針尖）。功能：在其與樣品互相作用時(shí)，可根據(jù)樣品性質(zhì)的不同（如表面原子的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)）產(chǎn)生變化的隧道電流。安裝：金屬探針安置在三個(gè)相互垂直的壓電陶瓷（Px、Py、Pz）架上，當(dāng)在壓電陶瓷器件上施加一定電壓時(shí)，由于壓電陶瓷器件產(chǎn)生變形，便可驅(qū)動(dòng)針尖在樣品表面實(shí)現(xiàn)三維掃描；控制器是用來(lái)控制STM偏壓、壓電陶瓷掃描電壓以及隧道電流設(shè)定值，用以保證上述功能的連續(xù)變化。

隧道電流I與針尖-樣品間偏壓Vb、針尖和樣品之間距離S、平均功函數(shù)之間的關(guān)系可表示為：式中

—針尖與樣品間施加的偏壓；—常數(shù)，在真空條件下約等于1；—針尖與樣品的平均功函數(shù)；—針尖與樣品表面間的距離，一般為0.3~1.0nm。

隧道電流Ｉ對(duì)針尖和樣品表面間距離的變化是非常敏感的，換句話說(shuō)，隧道電流對(duì)樣品表面的微觀起伏特別敏感。當(dāng)距離減小0.1nm時(shí)，隧道電流將會(huì)增加10倍；反之，將減小10倍。隧道電流的變化曲線

?Z有0.1nm的變化；?IT即有數(shù)量級(jí)的變化隧道電流的變化曲線

四、掃描隧道顯微鏡的工作模式

根據(jù)針尖與樣品間相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式的不同，STM有兩種工作模式：恒電流模式（a）和恒高模式（b）。（a）恒電流模式（b）恒高度模式圖STM掃描模式示意圖

恒電流模式：掃描時(shí)，在偏壓不變的情況下，始終保持隧道電流恒定。當(dāng)給定偏壓，并已知樣品-針尖的平均功函數(shù)時(shí)，隧道電流的大小僅決定于針尖-樣品間的距離。保持隧道電流的恒定可通過(guò)電子反饋系統(tǒng)控制針尖和樣品間距離來(lái)完成。在壓電陶瓷Px和Py控制針尖在樣品表面進(jìn)行掃描時(shí)，通過(guò)從反饋系統(tǒng)中提取它們間距離變化的信息，就可以繪制出樣品表面的原子圖像。恒高模式：始終控制針尖在樣品表面某一水平高度上掃描，隨樣品表面高低起伏，隧道電流不斷變化。通過(guò)提取掃描過(guò)程中針尖和樣品間隧道電流變化的信息（反映出樣品表面起伏幾何結(jié)構(gòu)特征），就可以得到樣品表面的原子圖像。

所得到的STM圖像不僅勾畫出樣品表面原子的幾何結(jié)構(gòu)，而且還反映了原子的電子結(jié)構(gòu)特征。STM圖像是樣品表面原子幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)綜合效應(yīng)的結(jié)果。

恒電流模式是掃描隧道顯微鏡最常用的一種工作模式。以恒電流模式工作時(shí)，由于STM的針尖是隨著樣品表面的起伏而上下運(yùn)動(dòng)，因此不會(huì)因表面起伏太大而碰撞到樣品表面，所以恒電流模式適于觀察表面起伏較大的樣品。

恒高模式工作時(shí)，由于針尖的高度恒定不變，所以僅適用于觀察表面起伏不大的樣品。但在恒高模式下工作，獲取STM圖像快，且能有效地減少噪音和熱漂移對(duì)隧道電流的干擾，提高分辨率。

利用掃描隧道顯微技術(shù)，不僅可以獲取樣品表面形貌圖像，同時(shí)還可以得到掃描隧道譜。利用這些譜線可對(duì)樣品表面顯微圖像作逐點(diǎn)分析，以獲得表面原子的電子結(jié)構(gòu)（電子態(tài)）等信息。具體操作：在樣品表面選一定點(diǎn)，并固定針尖與樣品間的距離，連續(xù)改變偏壓（）值從負(fù)幾V~正幾V，同時(shí)測(cè)量隧道電流，便可獲得隧道電流隨偏壓的變化曲線（或曲線），即掃描隧道譜。五、掃描隧道顯微鏡的特點(diǎn)

與TEM、SEM等分析技術(shù)相比，掃描隧道顯微鏡具有如下特點(diǎn)：1）STM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。2）其實(shí)驗(yàn)可在多種環(huán)境中進(jìn)行：如大氣、超高真空或液體（包括在絕緣液體和電解液中）。3）工作溫度范圍較寬，可在mK到1100K范圍內(nèi)變化。這是目前任何一種顯微技術(shù)都不能同時(shí)做到的。

4）分辨率高，掃描隧道顯微鏡在水平和垂直分辨率可以分別達(dá)到0.1nm和0.01nm。因此可直接觀察到材料表面的單個(gè)原子和原子在材料表面上的三維結(jié)構(gòu)圖像。5）在觀測(cè)材料表面結(jié)構(gòu)的同時(shí)，可得到材料表面的掃描隧道譜（STS），從而可以研究材料表面化學(xué)結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài)。6）不能探測(cè)深層信息，無(wú)法直接觀察絕緣體。表STM與TEM、SEM、FIM及AES的特性比較分析技術(shù)分辨本領(lǐng)工作環(huán)境工作溫度樣品破壞檢測(cè)深度STM可直接觀察原子橫向分辨率：0.1nm縱向分辨率：0.01nm大氣溶液真空均可低溫室溫高溫?zé)o1~2原子層TEM橫向點(diǎn)分辨率：0.3~0.5nm橫向晶格分辨率：0.1~0.2nm縱向分辨率：無(wú)高真空低溫室溫高溫中等于樣品厚度（<100nm）SEM采用二次電子成像橫向分辨率：1~3nm縱向分辨率：低高真空低溫室溫高溫小1μmFIM橫向分辨率：0.2nm縱向分辨率：低超高真空30~80K大原子厚度AES橫向分辨率：6~10nm縱向分辨率：0.5nm超高真空低溫室溫大2~3原子層

五、STM儀器設(shè)計(jì)

由STM主體，電子控制箱，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。STM儀器不很復(fù)雜，但在設(shè)計(jì)中要解決許多技術(shù)問(wèn)題。1.振動(dòng)隔絕系統(tǒng)微小的振動(dòng)都會(huì)對(duì)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此應(yīng)具有好的減振效果。由振動(dòng)引起的d變化必須小于0.001nm。減振措施：橡膠緩沖墊、彈簧懸掛、磁性渦流阻尼等。2.機(jī)械設(shè)計(jì)（掃描控制）

機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：1）Z方向伸縮范圍≥1μm，精度約為0.001nm；2）X、Y方向掃描范圍≥1μm

×1μm，精度約為0.01nm；3）Z方向機(jī)械調(diào)節(jié)精度高于0.1μm，精度至少應(yīng)在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器Z方向變化范圍，機(jī)械調(diào)節(jié)范圍>1mm；4）能在較大范圍內(nèi)選擇感興趣的區(qū)域掃描；5）針尖與樣品間距離d具有高的穩(wěn)定性。3.壓電陶瓷

功能：精密控制針尖相對(duì)于樣品的運(yùn)動(dòng)達(dá)0.001nm，掃描精度要求高，用普通機(jī)械難以達(dá)到，使用壓電陶瓷作X，Y，Z掃描控制。

方式：通過(guò)在壓電陶瓷上施加一定電壓，使它產(chǎn)生變形，驅(qū)動(dòng)針尖運(yùn)動(dòng)。

材料：Pb(Ti,Zr)O3(PZT),BaTiO3(BT)形狀：條狀、雙壓電陶瓷片狀、管狀三種。

4.針尖針尖的大小、形狀、化學(xué)同一性影響STM圖像的分辨率和圖像形狀，影響測(cè)定的電子態(tài)（STS）。針尖曲率半徑，影響橫向分辨率。

對(duì)針尖的要求：1）應(yīng)具有高的彎曲共振頻率，減小相位滯后，提高采集速度。2）尖端只有一個(gè)穩(wěn)定原子，不是多失重針尖,隧道電流穩(wěn)定，能夠獲得原子級(jí)分辨的圖象。

。3）化學(xué)純度高，不會(huì)涉及系列勢(shì)壘；不能有氧化膜。若有氧化層，則其電阻可能會(huì)高于隧道間隙的阻值，從而導(dǎo)致針尖和樣品間產(chǎn)生隧道電流之前，二者就發(fā)生碰撞。針尖制備方法：電化學(xué)腐蝕法，機(jī)械成型法，離子研磨（濺射），F(xiàn)IM技術(shù)。針尖材料：W（Mo），Pt(Ir)，0.1~0.3mm金屬絲。鎢針尖的制備常用電化學(xué)腐蝕法。鉑-銥合金針尖則多用機(jī)械成型法，一般直接用剪刀剪切而成。鉑-銥合金絲金屬鎢絲不論哪一種針尖，其表面往往覆蓋著一層氧化層，或吸附一定的雜質(zhì)，這經(jīng)常是造成隧道電流不穩(wěn)、噪音大和掃描隧道顯微鏡圖象的不可預(yù)期性的原因。因此，每次實(shí)驗(yàn)前，都要對(duì)針尖進(jìn)行處理，一般用化學(xué)法清洗，去除表面的氧化層及雜質(zhì)，保證針尖具有良好的導(dǎo)電性。W針尖制備W針尖特點(diǎn)：鋼性好，但易氧化，在真空中使用前，超高真空蒸發(fā)。在空氣中使用前，退火或離子濺射。方法：電化學(xué)腐蝕（陽(yáng)極溶解）。電解液：NaOH或KOH，2M。交流，產(chǎn)生針尖呈圓錐體，針尖大。W作陽(yáng)極，13V，控制電流直流，產(chǎn)生針尖呈雙曲線，針尖尖，適用于高分辨成像。(a)交流制備的針尖,(b)直流制備的針尖

Pt（Ir）針尖制備Pt（Ir）針尖特點(diǎn)：抗氧化方法：機(jī)械方法，電化學(xué)腐蝕法，離子研磨法電化學(xué)腐蝕法制備：CaCl2/H2O/HCl，（60%/36%/40%)，25V，AC，5分鐘，對(duì)電極為C

另有：KCl/H2O/HCl，F(xiàn)IM觀察針尖形貌。

5.樣品處理要求：平整，清潔表面精加工—砂紙打磨—拋光—Ar離子轟擊—高溫退火六、掃描隧道顯微鏡的應(yīng)用

掃描隧道顯微鏡已在材料、物理、化學(xué)、生命等科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在金屬、半導(dǎo)體和超導(dǎo)體等材料研究中取得了突破性進(jìn)展。

（一）材料表面結(jié)構(gòu)特征研究

主要用于金屬、半導(dǎo)體和超導(dǎo)體等的表面結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)、表面形貌分析及動(dòng)態(tài)過(guò)程分析。表面結(jié)構(gòu)、表面重構(gòu)、表面缺陷、表面外延生長(zhǎng)、界面狀態(tài)、分析相變、動(dòng)力學(xué)過(guò)程。利用掃描隧道顯微鏡可直接觀測(cè)材料表面原子是否具有周期性的表面結(jié)構(gòu)特征，表面的重構(gòu)和結(jié)構(gòu)缺陷等。圖高序石墨樣品的表面原子排列圖

高序石墨樣品的表面原子排列圖（a）Si(100)-2×1表面（b）Si(100)-2×1表面（c）Si(111)-7×7表面尺寸為6.0nm×6.0nm尺寸為10.6nm×10.6nm尺寸8.4nm×8.4nm圖

硅表面的原子圖像圖（a）中可看到Si(100)-2×1表面上有兩個(gè)Si原子組成的二聚體結(jié)構(gòu)以及由這些二聚體形成的二聚體列。圖（b）中可觀察到Si(100)-2×1表面上的單原子臺(tái)階和不同種類的單原子缺陷。

STM可以在高溫條件下工作，可觀察到半導(dǎo)體和金屬材料高溫結(jié)構(gòu)相變。利用一臺(tái)帶有加熱功能的STM研究Si(111)結(jié)構(gòu)的相變。觀察到Si(111)-2×1結(jié)構(gòu)隨時(shí)間和溫度的變化產(chǎn)生了5×5和7×7結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，當(dāng)溫度在860℃時(shí)用STM實(shí)時(shí)觀察Si(111)表面完全形成7×7結(jié)構(gòu)的重構(gòu)（圖c）。石墨樣品金膜表面的原子團(tuán)簇圖像掃描金團(tuán)簇（濺射薄膜）表面形貌的三維立體圖

（二）化學(xué)

表面的吸附、表面催化、表面腐蝕、表面鈍化、電化學(xué)動(dòng)態(tài)過(guò)程。用于研究物質(zhì)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程(a-c)Time-sequencedconstant-current(heightmode)STMimagesshowingthenucleationandgrowthofbenzenethiol(BT)moleculesatPt(Ⅱ)potentiostatedat0.15Vin0.1MHClO4..

如：STM對(duì)電化學(xué)過(guò)程前后的材料表面形貌進(jìn)行表征的研究。利用這個(gè)分析方法，可以對(duì)材料表面腐蝕過(guò)程進(jìn)行研究，進(jìn)而提出有關(guān)在腐蝕過(guò)程中選擇性溶解和表面擴(kuò)散的微觀機(jī)制。在對(duì)高氯酸（0.1M）中的Ag-Au合金表面的演化進(jìn)行STM實(shí)時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，隨時(shí)間的增加，初始表面開始粗化，形成單層深蝕坑。隨著合金中Ag含量的增加，上述現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

運(yùn)用STM在表面上的原子和分子的結(jié)構(gòu)成像和譜分析的綜合技術(shù)，為單層以及多層膜的化學(xué)和成鍵的探測(cè)提供了一種可行的方法。以此來(lái)研究材料表面化學(xué)鍵的形成和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。在聚酰亞胺沉積在金屬膜上的STM研究發(fā)現(xiàn)，沉積在襯底上的是一種組裝結(jié)構(gòu)，單個(gè)的聚酰亞胺鏈表現(xiàn)為“之”字結(jié)構(gòu)，鏈沿平行于膜的沉積方向排列。鏈與鏈之間的距離小于5?，這表明整個(gè)分子產(chǎn)生傾斜，以避免位阻效應(yīng)。（三）生命科學(xué)

DNA分子結(jié)構(gòu)觀察、氨基酸、人工合成多肽、結(jié)構(gòu)蛋白、功能蛋白。

a)STMimageoftheshort-rangeorderingofhead-to-tailcoupledpoly(3-dodecylthiophene)onhighlyorientedpyrolyticgraphite(20×20nm);b)calculatedmodelofpoly(3-dodecylthiophene)correspondingtotheareaenclosedinthewhitesquarein(a);c)three-dimensionalimageof3showingsubmolecularresolvedchainsandfolds(9.3×9.3nm2)呈現(xiàn)原子或分子的表面特性（四）工業(yè)

Z方向微小高度差的表面結(jié)構(gòu)，如光滑軸承表面拋光。

集成電路、表面微細(xì)加工。STM可以在納米尺度上對(duì)材料表面進(jìn)行加工處理。近幾年已經(jīng)能夠加工出各種用于構(gòu)筑納米器件的細(xì)線結(jié)構(gòu)，如在有機(jī)導(dǎo)電高分子材料中加工出線寬僅為3nm的極微導(dǎo)線。同時(shí)利用單原子操縱開展了加工各種原子尺度和納米尺度的人工結(jié)構(gòu)研究。光柵樣品STM掃描圖像處理光柵三維圖像

1

m

1m光柵表面形貌的三維立體圖1

m

1m光柵表面形貌的三維立體圖微觀操作

STM在場(chǎng)發(fā)射模式時(shí)，針尖與樣品仍相當(dāng)接近，此時(shí)用不很高的外加電壓（最低可到10V左右）就可產(chǎn)生足夠高的電場(chǎng)，電子在其作用下將穿越針尖的勢(shì)壘向空間發(fā)射。這些電子具有一定的束流和能量，由于它們?cè)诳臻g運(yùn)動(dòng)的距離極小，至樣品處來(lái)不及發(fā)散，故束徑很小，一般為毫微米量級(jí)，所以可能在毫微米尺度上引起化學(xué)鍵斷裂，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。移動(dòng)，刻寫樣品

當(dāng)STM在恒流狀態(tài)下工作時(shí)，突然縮短針尖與樣品的間距或在針尖與樣品的偏置電壓上加一脈沖，針尖下樣品表面微區(qū)中將會(huì)出現(xiàn)毫微米級(jí)的坑、丘等結(jié)構(gòu)上的變化。針尖進(jìn)行刻寫操作后一般并未損壞，仍可用它對(duì)表面原子進(jìn)行成像，以實(shí)時(shí)檢驗(yàn)刻寫結(jié)果的好壞。探傷及修補(bǔ)

STM在對(duì)表面進(jìn)行加工處理的過(guò)程中可實(shí)時(shí)對(duì)表面形貌進(jìn)行成像，用來(lái)發(fā)現(xiàn)表面各種結(jié)構(gòu)上的缺陷和損傷，并用表面淀積和刻蝕等方法建立或切斷連線，以消除缺陷，達(dá)到修補(bǔ)的目的，然后還可用STM進(jìn)行成像以檢查修補(bǔ)結(jié)果的好壞。七、掃描隧道譜

在表面給定點(diǎn)，d值固定，改變偏壓V，測(cè)量I，獲得I-V或dI/dV-V曲線——掃描隧道譜STS。STS可獲得表面原子的電子結(jié)構(gòu)（電子態(tài)）信息，用來(lái)研究化學(xué)組成，成健狀態(tài)、能隙、能帶彎曲效應(yīng)和表面吸附等方面的細(xì)節(jié)。STS是通過(guò)測(cè)定樣品表面費(fèi)米能級(jí)處的電子態(tài)密度隨偏壓的變化來(lái)研究樣品的電子結(jié)構(gòu)。隧道電流信號(hào)中包含的信息代表了隧道電極（樣品、針尖）的電子結(jié)構(gòu)（電子態(tài)密度）。

例如：一個(gè)平面金屬表面上吸附三個(gè)原子：Na、S、He，針尖作恒電流掃描，觀察Z方向位移。Na費(fèi)米能級(jí)處電子態(tài)密度比S高，所以位移比S大；NaSHe圖針尖的位移

He是飽和結(jié)構(gòu)，費(fèi)米能級(jí)處電子態(tài)密度為0，這時(shí)得到的是基底電子態(tài)密度，針尖向樣品接近，以保持I恒定。八、影響圖像質(zhì)量的因素影響儀器分辨率和圖像質(zhì)量的因素主要有以下幾點(diǎn)：對(duì)針尖的要求：具有高的彎曲共振頻率、針尖的尖端很尖(最好尖端只有一個(gè)原子)、針尖的化學(xué)純度高；壓電陶瓷的精度要足夠高；減震系統(tǒng)的減震效果要好，可采用各種減震系統(tǒng)的綜合使用；電子學(xué)控制系統(tǒng)的采集和反饋速度和質(zhì)量；樣品的導(dǎo)電性對(duì)圖像也有一定的影響。各種參數(shù)的選擇要合適。樣品表面狀態(tài)第二節(jié)原子力顯微鏡（AFM）

掃描隧道顯微鏡工作時(shí)必須實(shí)時(shí)通過(guò)檢測(cè)針尖和樣品間隧道電流變化實(shí)現(xiàn)樣品表面成像的，因此它只能用于觀察導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的表面結(jié)構(gòu)，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣體表面形貌的觀察。為了研究絕緣體樣品的表面結(jié)構(gòu)，1986年IBM的Binnig和Stanford大學(xué)的Quate在掃描隧道顯微鏡的基礎(chǔ)上發(fā)明了原子力顯微鏡（AFM）,彌補(bǔ)了STM的不足。AFM不但可測(cè)樣品的表面形貌，達(dá)到接近原子分辨率，還可測(cè)量表面原子間的力，測(cè)量表面的彈性，塑性，硬度，店著力，摩擦力等性質(zhì)。

AFM分辨率：橫向0.15nm，縱向0.05nm。

STM分辨率：橫向0.1nm，縱向0.01nm

一、原子力顯微鏡的工作原理

原子力顯微鏡是一種類似于掃描隧道顯微鏡的顯微技術(shù)，它的儀器構(gòu)成（機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)）在很大程度上與掃描隧道顯微鏡相同。如用三維壓電掃描器，反饋控制器等。

它們的主要不同點(diǎn)是掃描隧道顯微鏡檢測(cè)的是針尖和樣品間的隧道電流，而原子力顯微鏡檢測(cè)的是針尖和樣品間的力。圖AFM的工作原理原子與原子之間的交互作用力因?yàn)楸舜酥g的距離的不同而有所不同，其之間的能量表示也會(huì)不同。原子間范德華力利用微小探針與待測(cè)物之間交互作用力，來(lái)呈現(xiàn)待測(cè)物表面的物理特性。所以在原子力顯微鏡中也利用斥力與吸引力的方式發(fā)展出兩種操作模式：

（1）利用原子斥力的變化而產(chǎn)生表面輪廓為接觸式原子力顯微鏡（contactAFM），探針與試片的距離約數(shù)個(gè)?。

（2）利用原子吸引力的變化而產(chǎn)生表面輪廓為非接觸式原子力顯微鏡（non-contactAFM），探針與試片的距離約數(shù)十到數(shù)百?。兩部分組成對(duì)微弱力敏感的懸臂和力檢測(cè)器

懸臂——一端固定而另一端裝有針尖。當(dāng)針尖掃描時(shí)，由于針尖和樣品間的相互作用力、將使懸臂產(chǎn)生微小偏轉(zhuǎn)（變形）。反饋系統(tǒng)則根據(jù)檢測(cè)器檢測(cè)的結(jié)果不斷調(diào)整針尖（或樣品）z軸方向的位置，以保證在整個(gè)掃描過(guò)程中懸臂的微小偏轉(zhuǎn)值不變，即針尖與樣品間的作用力恒定。測(cè)量高度z隨（x、y）的位置變化，就可以得到樣品表面的形貌圖像。二、原子力顯微鏡的微懸臂及其變形的檢測(cè)方法

作為力傳感器的微懸臂（帶有探針）與力檢測(cè)器是影響原子力顯微鏡獲得原子分辨率最關(guān)鍵的兩個(gè)部件，它們直接影響到原子力的檢測(cè)精度。

（一）微懸臂（力傳感器）

原子力顯微鏡所研究的力很小。要實(shí)現(xiàn)力的高靈敏度測(cè)量，首先要求力的感知件——微懸臂對(duì)微小力的變化具有足夠高的靈敏度。

對(duì)彈性元件或杠桿：F=kΔZF—力，k—彈性系數(shù)，ΔZ—位移已知k，測(cè)出ΔZ，可算出F。要測(cè)量小的力F，k，ΔZ都須很小。對(duì)系統(tǒng)的諧振頻率：在減小k時(shí)，系統(tǒng)的諧振頻率f降低，如f低，振動(dòng)影響較大，數(shù)據(jù)采集速度受限制，因此要求f高，k低，只有減小M—微懸臂。

微懸臂必須滿足如下基本要求：1）彈性系數(shù)k值應(yīng)在10-2~102N/m范圍。極低的彈性系數(shù)可滿足極其靈敏地檢測(cè)出零點(diǎn)幾個(gè)納牛力的變化。2）具有高的固有頻率，以便在掃描過(guò)程中可跟隨樣品表面輪廓起伏的變化。通常在一次掃描中起伏信號(hào)的頻率可高達(dá)幾KHz。因此，微懸臂的固有頻率必須大于10KHz。

3）為滿足力彈性系數(shù)小且固有頻率高的條件，懸臂的質(zhì)量必須很小，其尺寸應(yīng)在微米量級(jí)。4）具有足夠高的側(cè)向剛性，以便克服由于水平方向摩擦力造成的信號(hào)干擾。5）懸臂的前端必須有一尖銳的針尖，以保證能靈敏地感知它與樣品表面之間的作用力，一般針尖曲率半徑為30nm。

（二）微懸臂變形的檢測(cè)方法原子力顯微鏡的圖像是通過(guò)掃描時(shí)測(cè)量微懸臂受力后彎曲變形的程度獲得的，并利用Hooke定律來(lái)確定操作時(shí)的樣品與針尖的作用力。微懸臂變形的檢測(cè)方法有多種，其中最常用的有四種：

隧道電流法光束偏轉(zhuǎn)法光學(xué)干涉法電容法

1．隧道電流法是在微懸臂上方安置一個(gè)隧道電極，利用掃描隧道檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)測(cè)量微懸臂和隧道顯微鏡針尖間的電流變化來(lái)檢測(cè)微懸臂的變形。其優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)靈敏度高，特別是在排斥力范圍內(nèi)進(jìn)行原子尺度觀察是非常有效的。缺點(diǎn)是信噪比低，因微懸臂上污染物造成隧道電流檢測(cè)的差誤。因此，這種方法較適合于在高真空環(huán)境的原子力顯微鏡。圖AFM工作原理A—樣品，B—AFM針尖，C—STM針尖，D—懸臂E—壓電晶體，F(xiàn)—氟橡膠，AFMSF—壓電晶體

壓電晶體E，調(diào)節(jié)隧道間隙。樣品A固定在壓電晶體上，由驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行X、Y掃描和Z方向控制，針尖B上原子與樣品A表面上原子間相互作用力與A、B間距離成比例關(guān)系。當(dāng)針尖B沿A表面掃描時(shí)，通過(guò)反饋電路將這個(gè)力維持在一個(gè)恒定值，因而懸臂將隨樣品表面的起伏產(chǎn)生變形，從而保持針尖與樣品表面距離不變。作為STM的樣品，懸臂的變形導(dǎo)致其與針尖C的間距變化，從而使隧道電流隨之改變。通過(guò)檢測(cè)隧道電流即可測(cè)定懸臂對(duì)應(yīng)于樣品各點(diǎn)的位置變化，從而獲得樣品表面原子尺度三維結(jié)構(gòu)圖像。2．光束偏轉(zhuǎn)法

該法是在微懸臂上部安放一個(gè)微小的鏡子，微懸臂的微小變形是通過(guò)檢測(cè)小鏡子發(fā)射到位置敏感器上光束的偏轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。位置敏感檢測(cè)器是一個(gè)光電二極管，當(dāng)微懸臂發(fā)生微小變形時(shí)，由反射鏡反射到位置敏感檢測(cè)器上光束的位置將發(fā)生變化，這個(gè)位移引起光電流的差異，利用差值信號(hào)就能對(duì)樣品表面成像。其優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠、精度高。因此是原子力顯微鏡中應(yīng)用最為普遍的方法。3．光學(xué)干涉法

利用光學(xué)干涉的方法來(lái)探測(cè)微懸臂共振頻率的位移及微懸臂變形偏移的幅度。當(dāng)微懸臂發(fā)生微小變形時(shí)，探測(cè)光束的光程發(fā)生變化，進(jìn)而使參考光束和探測(cè)光束間的相位出現(xiàn)位移。這種相移的大小將反映了微懸臂變形的大小。在各種檢測(cè)方法中，光學(xué)干涉法的測(cè)量精度最高（垂直位移精度達(dá)0.001nm）。4．電容法

由一個(gè)小的金屬片與懸臂作為兩極板構(gòu)成平行電容器。通過(guò)測(cè)量該電容器值的變化來(lái)反映微懸臂的偏移變形的大小。在上述四種檢測(cè)方法中，電容法是精度較差的一種（垂直位移精度可達(dá)0.03nm）。三、原子力顯微鏡的成像模式

在原子力顯微鏡成像模式中，根據(jù)針尖與樣品間作用力的不同性質(zhì)可分為：接觸摸式非接觸模式輕敲模式在接觸模式中，檢測(cè)的是針尖與樣品間的作用力；而在非接觸和輕敲模式中，檢測(cè)的是針尖與樣品間作用力的梯度。

圖AFM三種掃描模式的成像比較（一）接觸成像模式針尖在掃描過(guò)程中始終同樣品表面接觸。針尖和樣品間的互相作用力為接觸原子間電子的庫(kù)侖排斥力（其力大小為10-8~10-6N）。通過(guò)反饋系統(tǒng)上下移動(dòng)樣品保持針尖與樣品間庫(kù)侖排斥力恒定，就可得到用這種斥力模式的樣品表面原子力顯微圖像。接觸成像模式的優(yōu)點(diǎn)為圖像穩(wěn)定，分辨率高，缺點(diǎn)為由于針尖和樣品間粘附力的作用等因素影響，可影響成像質(zhì)量。

（二）非接觸成像模式當(dāng)針尖在樣品表面掃描時(shí)，始終保持不與樣品表面接觸（一般保持5~20nm的距離）。在非接觸模式中，針尖與樣品間的作用力是長(zhǎng)程力——范德華吸引力。由于范德華吸引力是相當(dāng)小的力，為了測(cè)量到這個(gè)微小力，通常采用共振增強(qiáng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即用壓電振蕩器驅(qū)動(dòng)懸臂振動(dòng)。針尖與樣品間的距離是通過(guò)保持微懸臂共振頻率或振幅恒定來(lái)控制。如果在掃描過(guò)程中反饋系統(tǒng)驅(qū)使樣品上下運(yùn)動(dòng)以保持懸臂的振幅恒定，就可以獲得樣品表面形貌圖像。

由于針尖始終不與樣品表面接觸，因而避免了接觸模式中遇到的一些問(wèn)題。缺點(diǎn)是由于范德華力非常小，因此比接觸模式的分辨率較低，并且不適合于液體中成像。

（三）輕敲成像模式同非接觸模式相似，在針尖掃描過(guò)程中，微懸臂也是振蕩的，其振幅比非接觸模式更大，同時(shí)針尖在振蕩時(shí)間斷地與樣品接觸。在微懸臂振蕩過(guò)程中，由于針尖間斷式地同樣品接觸，因此其振幅不斷改變。

反饋系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到這個(gè)變化的振幅，不斷調(diào)整針尖與樣品間距，以便來(lái)控制微懸臂振幅，進(jìn)而控制針尖作用在樣品表面上力