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第四章扫描探针显微镜

引言
所谓扫描探针显微镜（ScanningProbeMicroscopySPM）是用一尖锐的传感器探针在样品表面上方扫描，通过“感触”来检测样品表面性质，并不用物镜来成像，这是与其他显微镜最主要的区别。扫描探针显微镜是一个显微镜的大家族，其中第一个成员是扫描隧道显微镜

它是IBM的G.Binning和H.Rohrer博士及其同事于1982年发明的，1986年获诺贝尔物理学奖

受扫描隧道显微镜工作原理的启发，人们又研制出一系列工作原理相类似的显微镜，例如：
（1）原子力显微镜（AFM）
（2）磁力显微镜（MFM）
（3）摩擦力显微镜（LFM）
（4）化学力显微镜（CFM）
（5）静电力显微镜（EFM）
我们主要介绍扫描隧道显微镜与原子力显微镜
1.扫描隧道显微镜

扫描隧道显微镜STM（ScanningTunnellingMicroscopy）是IBM苏黎世实验室的G.Binning和H.Rohrer博士及其同事发明的。

STM的研制工作始于1978年
1982年在CaIrSn4单晶上获得第一张单原子台阶像

1983年获得第一张Si（111）—7×7表面重构像，从而宣告了具有原子级空间分辨能力的新一代显微镜的诞生。1986年G.Binning和H.Rohrer与发明电子显微镜的E.Ruska一道获得诺贝尔物理学奖。

STM实验可以在大气、真空、溶液、惰性气体甚至反应性气体等各种环境中进行，工作温度可以从绝对零度到摄氏几百度。用途广泛：
（1）可用于原子级空间分辨率的表面结构观测，用于研究各种表面化学过程和生物体系

（2）是纳米结构加工的有力工具，可用于制备纳米尺度的超微结构，还可用于操纵原子和分子等1.1扫描隧道显微镜的工作原理及工作模式

工作原理：当探针与样品表面间距小到纳米量级﹙﹤1nm﹚时，经典力学认为，由于中间的空气将探针与样品表面隔开，探针与样品表面是不导电的；但从量子力学的观点来看，探针尖端的原子与样品表面的原子具有波动性，两者的波函数会发生重叠，因此探针与表面之间会产生电流，该电流称隧道电流（见图26.1）隧道电流的强度与针尖和样品间距S成指数关系，对间距S的变化非常敏感，STM就是利用这一原理来工作的。

它的工作模式有两种：
恒高模式
恒流模式
①恒流模式：
探针在样品表面扫描时，通过反馈回路控制隧道电流恒定不变，即探针与样品表面相对距离保持恒定，这时探针沿xy平面内扫描时在z轴方向的运动就反映了样品表面的高低起伏，这种扫描模式叫恒流模式。
见图2.2（a）②恒高模式：
探针在样品表面扫描时，使探针的绝对高度不变，这时探针与样品表面的相对距离就会改变，即隧道电流会改变，通过测量电流的变化来反映样品表面的高低起伏。这种扫描模式叫恒高模式。
（见图2.2（b）恒电流模式是STM常用的工作模式，而恒高模式仅适用于对起伏不大的表面进行成像。

当样品表面起伏较大时，由于针尖离表面非常近，采用恒高模式扫描可能造成针尖与样品表面相撞，导致针尖与样品表面破坏。1.2扫描隧道显微镜的装置

STM是一种近场成像仪器,针尖与样品之间的距离S通常小于1nm.

自从首次STM诞生以来,目前商品化的STM已采用了各种先进技术和多项改进系统.已成为一种先进的形貌观测仪器被广泛应用.但基本组成没有变化.STM由下列几部分组成:
①振动隔绝系统
②机械传感系统
③电子控制系统
④探头(隧道针尖)
⑤计算机控制系统
STM的基本结构如图所示.核心部件:探头,安装于STM主体箱内

电子控制系统:用于产生隧道电流并维
持其恒定,控制针尖扫描.

计算机系统:控制各个系统运动、收集、存
贮、处理获得信息和图像。

振动隔绝系统：保证系统工作不受外界振
动等干扰。（1）振动隔离系统
由于STM工作时针尖与样品距离小于1nm,任何振动包括声波振动都会影响仪器稳定性,因此由振动引起的隧道间距变化必须小于0.001nm。

STM常用的振动隔离方法有三种：
①悬挂弹簧
②平板-弹性体堆垛系统
③冲气平台悬挂弹簧：具有涡流阻尼的悬挂弹簧系统﹝见图2.5﹙a﹚﹞悬挂弹簧是最为有效的振动隔离系统。如果STM单元有足够的刚性单级悬簧即可。

如果STM单元的刚性不够，或者在超高真空和低温环境下工作，则可采用二级悬簧并有涡流阻尼的振动隔离系统。

悬簧系统的缺点是尺寸大。
（2)平板-弹性体堆垛系统：由橡胶块分割的多块金属扳堆累而成，首先被用于袖珍型STM。

其问题是由于小尺寸使固有共振频率在10Hz左右。此种隔离方法仅对较高频率（>50Hz）有效。

为了抑制低频振动，需要另外的悬簧。(3)冲气平台：通常用做光学工作台，典型的固有频率为1—1.2Hz。对大于10Hz的振动传递函数可达到0.1。

某些系统提供有效的振动隔