扫描探针显微镜技术及其应用扫描探针显微镜技术及其应用

报告人： 张智平报告人： 张智平

导 师： 梁鑫淼 研究员导 师： 梁鑫淼 研究员

Seminar ISeminar I

主要内容主要内容

扫描探针显微镜的产生 扫描探针显微镜的原理与特点 扫描探针显微镜的应用 存在的问题及其展望

扫描探针显微镜的产生的必然性扫描探针显微镜的产生的必然性

19331933 年年 电子显微镜电子显微镜RuskaRuska

KnollKnoll

透射透射电子电子显微显微

镜镜

扫描扫描电子电子显微显微

镜镜

场电场电子显子显微镜微镜

场离场离子显子显微镜微镜

低能低能电子电子衍射衍射

光电光电子能子能

谱谱

电子电子探针探针

表面结构分析仪器的局限性表面结构分析仪器的局限性

扫描探针显微镜的产生的必然性扫描探针显微镜的产生的必然性

低能电子衍射低能电子衍射和和

XX 射线衍射射线衍射

光学显微镜光学显微镜和和

扫描电子显微镜扫描电子显微镜

高分辨透射电子高分辨透射电子显微镜显微镜

场电子显微镜场电子显微镜和和

场离子显微镜场离子显微镜

XX 射线光电子射线光电子能谱能谱

样品具有周期性结构样品具有周期性结构

不足分辨出表面原子不足分辨出表面原子

用于薄层样品的体相和界面研究用于薄层样品的体相和界面研究

只能探测在半径小于只能探测在半径小于 100nm100nm 的针尖上的原子的针尖上的原子结构和二维几何性质，且制样技术复杂结构和二维几何性质，且制样技术复杂

只能提供空间平均的电子结构只能提供空间平均的电子结构信息信息

纳米科技突飞猛进的发展纳米科技突飞猛进的发展

扫描探针显微镜的产生的必然性扫描探针显微镜的产生的必然性

Dendrimer-like Gold Nanoparticle[3] Biomolecular Recognition on Vertically Aligned Car

bon Nanofibers[1]

ε-Co nanocrystals coated by a monolayer of poly(acrylic acid)-block-polystyrene [2]

DNA Translocation in Inorganic Nanotubes[4] Diameter-Dependent Growth Direction of Epitaxial Silicon Nanowires[5]

扫描探针显微镜的产生扫描探针显微镜的产生

扫描隧道扫描隧道显微镜显微镜

19821982 年年

人类第一次能够实时人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学子行为有关的物理、化学性质，在表面科学、材料性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和研究中有着重大的意义和广阔的应用前景，被国际广阔的应用前景，被国际科学界公认为八十年代世科学界公认为八十年代世界十大科技成就之一。界十大科技成就之一。

扫描探针显微镜的产生扫描探针显微镜的产生

扫描探针显微镜扫描探针显微镜（（ SPMSPM ）

扫描力显微镜（扫描力显微镜（ SFSFMM ））

扫描近场光学显微境扫描近场光学显微境（（ SNOMSNOM ））

弹道电子发射显微镜弹道电子发射显微镜（（ BEEMBEEM ））

原子力显微镜（原子力显微镜（ AFAFMM ））

扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（ SSTMTM ））

扫描探针显微镜的原理 当探针与样品表面间距小到纳米级时，按照近代量当探针与样品表面间距小到纳米级时，按照近代量子力学的观点，由于探针尖端的原子和样品表面的原子子力学的观点，由于探针尖端的原子和样品表面的原子具有特殊的作用力，并且该作用力随着距离的变化非常具有特殊的作用力，并且该作用力随着距离的变化非常显著。当探针在样品表面来回扫描的过程中，顺着样品显著。当探针在样品表面来回扫描的过程中，顺着样品表面的形状而上下移动。独特的反馈系统始终保持探针表面的形状而上下移动。独特的反馈系统始终保持探针的力和高度恒定，一束激光从悬臂梁上反射到感知器，的力和高度恒定，一束激光从悬臂梁上反射到感知器，这样就能实时给出高度的偏移值。样品表面就能记录下这样就能实时给出高度的偏移值。样品表面就能记录下来，最终构建出三维的表面图来，最终构建出三维的表面图 [6][6] 。。

扫描探针显微镜的特点1. 1. 分辨率高分辨率高

HM ：高分辨光学显微镜； PCM ：相反差显微镜； (S)TEM ：（扫描）透射电子显微镜； FI

M ：场离子显微镜； REM ：反射电子显微镜

横向分辨率横向分辨率可达 0.0.1nm1nm

纵向分辨率纵向分辨率可达 0.0.01nm01nm

2 、可实时地空得到实时间中表面的三维图像，可用于具有周可实时地空得到实时间中表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构研究。期性或不具备周期性的表面结构研究。 应用：应用：可用于表面扩散等动态过程的研究可用于表面扩散等动态过程的研究。

扫描探针显微镜的特点

33 、可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整个、可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整个表面的平均性质。表面的平均性质。

应用：应用：可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。 44 、可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品、可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术，并且探测过程浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术，并且探测过程对样品无损伤。对样品无损伤。

应用应用：：适用于研究生物样品和在不同试验条件下对样品表面适用于研究生物样品和在不同试验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超导机制、电化学反应过程的评价，例如对于多相催化机理、超导机制、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。中电极表面变化的监测等。

扫描探针显微镜的特点

55、配合扫描隧道谱，可以得到有关表面结构的信息，例如表、配合扫描隧道谱，可以得到有关表面结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。 变化和能隙结构等。

66 、在技术本身，、在技术本身， SPMSPM 具有的设备相对简单、体积小、价格具有的设备相对简单、体积小、价格便宜、对安装环境要求较低、对样品无特殊要求、制样容易、便宜、对安装环境要求较低、对样品无特殊要求、制样容易、检测快捷、操作简便等特点，同时检测快捷、操作简便等特点，同时 SPMSPM 的日常维护和运行费的日常维护和运行费用也十分低廉。 用也十分低廉。

扫描探针显微镜的特点

分辨率分辨率 工作环境工作环境样品环境样品环境 温度温度 对样品对样品

破坏程度破坏程度 检测深度检测深度

扫描探扫描探针显微针显微

镜镜原子级原子级 (0.1n(0.1n

m)m)实环境、大实环境、大气、溶液、气、溶液、

真空真空 室温或低室温或低

温温 无无 100100μμmm量级量级

透射电镜

点分辨 (0.3~0.5nm)

晶格分辨 (0.1~0.2nm)

高真空 室温 小

接近 SEM, 但实际上为样品厚度所限，一般小于 100nm.

扫描电镜 6~10nm 高真空 室温 小

10mm (10 倍时 )

1μm (10000倍时 )

场离子显微镜 原子级 超高真空 30~80K 有 原子厚度

相较于其它相较于其它显微镜技术的各项性能指标比较显微镜技术的各项性能指标比较

扫描探针显微镜正在迅速地被应用于科学研扫描探针显微镜正在迅速地被应用于科学研究的许多领域，如纳米技术，催化新材料，生究的许多领域，如纳米技术，催化新材料，生命科学，半导体科学等，并且取得了许多重大命科学，半导体科学等，并且取得了许多重大的科研成果的科研成果 ..

扫描探针显微镜的应用

180 182

241267

319

2000 2001 2002 2003 2004

扫描探针显微镜的应用近五年来 CA 上关于 SPM 的论文

扫描探针显微镜的应用&&呈现原子或分子的表面特性呈现原子或分子的表面特性

氧化锌薄膜的 AFM 图

( 单位： nm)

氧化锌颗粒的颗粒比例图（ a ）和粒度分布图（ b ）

扫描探针显微镜的应用&&呈现原子或分子的表面特性呈现原子或分子的表面特性

乳胶薄膜的 AFM 图 (A) 和三维立体图 (B) ( 单位 :nm)

A B

有严重缺陷 (A) 和较为完美 (B) 的高分子镀膜（单位 :nm)

A B

a)STM image of the short-range ordering of head-to-tail coupled poly(3-dodecylthiophene) on highly oriented pyrolytic graphite (20× 20nm);

b)calculated model of poly(3-dodecylthiophene) corresponding to the area enclosed in the white square in (a);

c) three-dimensional image of 3 showing submolecular resolved chains and folds (9.3×9.3nm2)[7]

扫描探针显微镜的应用&&呈现原子或分子的表面特性呈现原子或分子的表面特性

扫描探针显微镜的应用&& 用于研究物质的动力学过程用于研究物质的动力学过程

(a-c) Time-sequenced constant-current(height mode) STM images showing the nucleation and growth of benzenethiol (BT) molecules at Pt(Ⅱ ) potentiostated at 0.15V in 0.1M HClO4[8]..

扫描探针显微镜的应用&& 用于研究物质的动力学过程用于研究物质的动力学过程

Continuous AFM height images of melt-crystallized poly[(R)-3-hydroxybutyric acid ](PH3B) thin film before (A) and during (B-F) enzymatic degradation by PHB depolymerase from Ralstonia pickettii T1 at 20 [9]℃

&&检测材料的性能检测材料的性能扫描探针显微镜的应用

Schematics of the AFM experiment. (a) The AFM tip is brought into contact with the graphitic aggregate layer on the surface of the silicon substrate. (b) During the approach period, several graphitic aggregates may become attached to the tip through a network structure and be stretched during the tip retraction.[10]

扫描探针显微镜的应用&&检测材料的性能检测材料的性能

a) STM image of a SWCNT end (I=300 pA, Vsample=546 mV, 45 nm× 319 nm). b) scanning tunneling spectroscopy(STS) data on the left-hand side of the dotted line in (a). C)STS data on the right-hand side of the dotted line in (a). d) Simultaneously recorded spatially resolved STS image, Vstab=546 mV, Istab=5300 pA and Vmod=510 mV.[11]

扫描探针显微镜的应用

SFM images of double-stranded DNA (dsDNA) adsorbed on a graphite surface modified with CH3(CH2)11NH2 molecules. Manipulation was performed by bringing the tip in contact with the surface and moving it in the desired direction, using homemade manipulation hardwire and softwire; (a)ds-plasmid DNA molecules as deposited; (b)after stretching two of them along the arrows’ (c) after manipulation of the same molecules into triangles; (d)seven-letter word written with a polydisperse sample of linear dsDNA; (e)magnified view of the square marked in (b); (f)magnified view of the square marked in (c) [12].

&& 通过显微镜探针可以操纵和移动单个原子或分子通过显微镜探针可以操纵和移动单个原子或分子

扫描探针显微镜的其它应用微米纳米结构表征，粗糙度，摩擦力，高度分布，自相关微米纳米结构表征，粗糙度，摩擦力，高度分布，自相关评估，软性材料的弹性和硬度测试评估，软性材料的弹性和硬度测试

高分辨定量结构分析以及掺杂浓度的分布等各种材料特性高分辨定量结构分析以及掺杂浓度的分布等各种材料特性

失效分析失效分析 : 缺陷识别，电性测量（甚至可穿过钝化层）和键合电极的摩擦特性

生物应用生物应用 : 液体中完整活细胞成象，细胞膜孔隙率和结构表征，生物纤维测量， DNA 成像和局部弹性测量

硬盘检查硬盘检查 : 表面检查和缺陷鉴定，磁畴成象，摩擦力和磨损方式，读写头表

薄膜表征薄膜表征 : 孔隙率分析，覆盖率，附着力，磨损特性，纳米颗粒和岛屿的分布

存在的问题及其展望

借助其它技术手段在，难以绝对定量物质的性质

考察物质性质时， SPM 空间分辨率较低

获取数据速率较慢

难以快速的控制原子，分子的结构

[1] Baker, S. E.; Tse, K.-Y.; Hindin, E.; Nichols, B. M.; Lasseter Clare, T.; Hamers, R. J.; Chem. Mater., 2005, 17:4971.

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参考文献