探針顯微鏡技術(shù)及其應(yīng)用課件

第五章

掃描探針顯微鏡技術(shù)及其應(yīng)用5-1掃描探針顯微鏡的產(chǎn)生和歷史5-2掃描探針顯微鏡的原理5-3掃描探針顯微鏡的特點(diǎn)與應(yīng)用5-4存在的問(wèn)題及其展望5-5總結(jié)參考文獻(xiàn)掃描探針顯微鏡的產(chǎn)生和歷史掃描探針顯微鏡產(chǎn)生的必然性

1表面結(jié)構(gòu)分析儀器的局限性1933年電子顯微鏡RuskaKnoll透射電子顯微鏡掃描電子顯微鏡場(chǎng)電子顯微鏡場(chǎng)離子顯微鏡低能電子衍射光電子能譜電子探針掃描探針顯微鏡的產(chǎn)生和歷史2納米科技突飛猛進(jìn)的發(fā)展Dendrimer-likeGoldNanoparticle[3]

BiomolecularRecognitiononVerticallyAlignedCarbonNanofibers[1]

ε-Conanocrystalscoatedbyamonolayerofpoly(acrylicacid)-block-polystyrene[2]DNATranslocationinInorganicNanotubes[4]Diameter-DependentGrowthDirectionofEpitaxialSiliconNanowires[5]掃描探針顯微鏡的產(chǎn)生和歷史掃描探針顯微鏡的產(chǎn)生掃描隧道顯微鏡1982年

人類(lèi)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)的物理、化學(xué)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闊的應(yīng)用前景，被國(guó)際科學(xué)界公認(rèn)為八十年代世界十大科技成就之一。Gerd.BinnigHeinrichRohrer掃描探針顯微鏡的產(chǎn)生和歷史掃描力顯微鏡（SFM）掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微境（SNOM）彈道電子發(fā)射顯微鏡（BEEM）原子力顯微鏡（AFM）

掃描隧道顯微鏡（STM）掃描探針顯微鏡（SPM）掃描探針顯微鏡的原理掃描探針顯微鏡的原理

當(dāng)探針與樣品表面間距小到納米時(shí)，按照近代量子力學(xué)的觀點(diǎn)，由于探針尖端的原子和樣品表面的原子具有特殊的作用力，并且該作用力隨著距離的變化非常顯著。當(dāng)探針在樣品表面來(lái)回掃描的過(guò)程中，順著樣品表面的形狀而上下移動(dòng)。獨(dú)特的反饋系統(tǒng)始終保持探針的力和高度恒定，一束激光從懸臂梁上反射到感知器，這樣就能實(shí)時(shí)給出高度的偏移值。樣品表面就能記錄下來(lái)，最終構(gòu)建出三維的表面圖。

掃描探針顯微鏡的原理

掃描探針顯微鏡(SPM)主要包括掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)兩種功能。掃描探針顯微鏡的原理掃描隧道顯微鏡

工作原理是利用電子隧道現(xiàn)象，將樣品本身作為一具電極，另一個(gè)電極是一根非常尖銳的探針。把探針移近樣品，并在兩者之間加上電壓，當(dāng)探針和樣品表面相距只有數(shù)十埃時(shí)，由于隧道效應(yīng)在探針與樣品表面之間就會(huì)產(chǎn)生隧穿電流，并保持不變。若表面有微小起伏，那怕只有原子大小的起伏，也將使穿電流發(fā)生成千上萬(wàn)倍的變化。這些信息輸入電子計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)處理即可在熒光屏上顯示出一幅物體的三維圖像。掃描隧道顯微鏡一般用于導(dǎo)體和半導(dǎo)體表面的測(cè)定。

掃描探針顯微鏡正在迅速地被應(yīng)用于科學(xué)研究的許多領(lǐng)域，如納米技術(shù)，催化新材料，生命科學(xué)，半導(dǎo)體科學(xué)等，并且取得了許多重大的科研成果.掃描探針顯微鏡的特點(diǎn)與應(yīng)用掃描探針顯微鏡的特點(diǎn)與應(yīng)用掃描探針顯微鏡的特點(diǎn)1.分辨率高HM：高分辨光學(xué)顯微鏡；PCM：相反差顯微鏡；(S)TEM：（掃描）透射電子顯微鏡；FIM：場(chǎng)離子顯微鏡；REM：反射電子顯微鏡

橫向分辨率可達(dá)0.1nm縱向分辨率可達(dá)0.01nm掃描探針顯微鏡的特點(diǎn)與應(yīng)用2、可實(shí)時(shí)地得到實(shí)空間中表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)研究。

應(yīng)用：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)，而不是體相或整個(gè)表面的平均性質(zhì)。應(yīng)用：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。

4、可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作，甚至可將樣品浸在水和其它溶液中，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。應(yīng)用：適用于研究生物樣品和在不同試驗(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、超導(dǎo)機(jī)制、電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中電極表面變化的監(jiān)測(cè)等。SFMimagesofdouble-strandedDNA(dsDNA)adsorbedonagraphitesurfacemodifiedwithCH3(CH2)11NH2molecules.Manipulationwasperformedbybringingthetipincontactwiththesurfaceandmovingitinthedesireddirection,usinghomemademanipulationhardwireandsoftwire;(a)ds-plasmidDNAmoleculesasdeposited;(b)afterstretchingtwoofthemalongthearrows’(c)aftermanipulationofthesamemoleculesintotriangles;(d)seven-letterwordwrittenwithapolydispersesampleoflineardsDNA;(e)magnifiedviewofthesquaremarkedin(b);(f)magnifiedviewofthesquaremarkedin(c)[11].掃描探針顯微鏡的其他應(yīng)用&通過(guò)顯微鏡探針可以操縱和移動(dòng)單個(gè)原子或分子掃描探針顯微鏡的特點(diǎn)與應(yīng)用雙鏈DNA吸附在石墨表面用CH3(CH2)11NH2分子改性。操作過(guò)程是這樣的，將探針與表面接觸，然后使用自制的操縱硬件向一定方向移動(dòng)。a.是雙鏈質(zhì)粒DNA分子的交存；b.其中2個(gè)順著箭頭方向拉伸之后；c.同樣的分子進(jìn)行操作后形成三角形；d.用線性雙鏈DNA的分散樣品寫(xiě)的7個(gè)字母；e.放大b圖中的方塊部分；f.放大c圖中方塊的部分。微米納米結(jié)構(gòu)表征，粗糙度，摩擦力，高度分布，自相關(guān)評(píng)估，軟性材料的彈性和硬度測(cè)試高分辨定量結(jié)構(gòu)分析以及摻雜濃度的分布等各種材料特性失效分析:缺陷識(shí)別，電性測(cè)量（甚至可穿過(guò)鈍化層）和鍵合電極的摩擦特性生物應(yīng)用:液體中完整活細(xì)胞成象，細(xì)胞膜孔隙率和結(jié)構(gòu)表征，生物纖維測(cè)量，DNA成像和局部彈性測(cè)量硬盤(pán)檢查:表面檢查和缺陷鑒定，磁疇成象，摩擦力和磨損方式，讀寫(xiě)頭表薄膜表征:孔隙率分析，覆蓋率，附著力，磨損特性，納米顆粒和島嶼的分布掃描探針顯微鏡的特點(diǎn)與應(yīng)用掃描探針顯微鏡的其他應(yīng)用存在的問(wèn)題及其展望存在的問(wèn)題

由于其工作原理是控制具有一定質(zhì)量的探針進(jìn)行掃描成像，因此掃描速度受到限制，檢測(cè)效率較其他顯微技術(shù)低；由于壓電效應(yīng)在保證定位精度前提下運(yùn)動(dòng)范圍很小（目前難以突破100μm量級(jí)），而機(jī)械調(diào)節(jié)精度又無(wú)法與之銜接，故不能做到象電子顯微鏡的大范圍連續(xù)變焦，定位和尋找特征結(jié)構(gòu)比較困難；

目前掃描探針顯微鏡中最為廣泛使用管狀壓電掃描器的垂直方向伸縮范圍比平面掃描范圍一般要小一個(gè)數(shù)量級(jí)，掃描時(shí)掃描器隨樣品表面起伏而伸縮，如果被測(cè)樣品表面的起伏超出了掃描器的伸縮范圍，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常甚至損壞探針。因此，掃描探針顯微鏡對(duì)樣品表面的粗糙度有較高的要求；由于系統(tǒng)是通過(guò)檢測(cè)探針對(duì)樣品進(jìn)行掃描時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)推知其表面形貌，因此，探針的幾何寬度、曲率半徑及各向異性都會(huì)引起成像的失真（采用探針重建可以部分克服）。存在的問(wèn)題及其展望

新近發(fā)展起來(lái)一種技術(shù)叫做BEMM（彈道電子磁場(chǎng)譜）[14]，是BEEM的技術(shù)加上巨磁阻效應(yīng)。它是和‘鐵磁－非鐵磁－鐵磁薄膜－半導(dǎo)體基底’一起使用的。在恒流模式下，通過(guò)STM針尖，將電子注入到該結(jié)構(gòu)上。電子在通過(guò)第一個(gè)鐵磁薄膜時(shí)將被自旋極化。極化的電子然后進(jìn)入鐵磁金屬－半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，如果兩個(gè)鐵磁薄膜是平行磁性(P)的，則通過(guò)的效率最高，如果是反平行磁性的（AP），則通過(guò)的效率最低（巨磁阻效應(yīng)[16]）。這就我們就可以通過(guò)隧穿電流大小的變化來(lái)研究薄膜磁性、彈道電子輸運(yùn)等過(guò)程[15]。存在的問(wèn)題及其展望

在自旋電子學(xué)方面的應(yīng)用也是振奮人心的。自旋電子學(xué)是利用電子的自旋的方向－（上或下）來(lái)表示傳統(tǒng)信息學(xué)里的0和1。目前這們新興學(xué)科所面臨的重大難題是足夠高的自旋注入效率。人們利用有磁性探頭的STM,將自旋極化的彈道電子注入金屬－半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，來(lái)研究注入效率與異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的關(guān)系[17]。人們發(fā)現(xiàn)真空的隧道結(jié)能夠有效地將自旋注入電子中，隧道結(jié)的邊界還能保存自旋極化。在100K下，用一個(gè)100％自旋極化的STM探頭作為電子源將極化的電子注入p型GaAs的表面，并同時(shí)記錄下了重組發(fā)光的極化程度，結(jié)果表明，高度自旋極化流(92％)能夠被注入GaAs[18]。存在的問(wèn)題及其展望2）在生物學(xué)方面的應(yīng)用。

掃描探針顯微術(shù)(SPM)現(xiàn)已廣泛用于生物學(xué)研究,形成了一門(mén)新的學(xué)科—納米生物學(xué)(Nanobiology)[19]。SPM在生物方面的主要優(yōu)點(diǎn)是[19][20]：（1）它極高的三維圖像分辨率。（2）它可以在氣體和液體環(huán)境下工作。這比生物學(xué)領(lǐng)域傳統(tǒng)使用的電子顯微鏡要好得多。SPM的這項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)使得生物學(xué)的研究者可以在生物活體情況下研究生物學(xué)樣品。存在的問(wèn)題及其展望

在生物學(xué)領(lǐng)域SPM最大的不足之處：

SPM一般只能研究樣本表面部分的性質(zhì)，同時(shí)，它的掃描速度也非常低，通常每張圖片要一分鐘左右。一個(gè)普通的SPM設(shè)備的價(jià)位在常規(guī)光學(xué)顯微鏡和低端的電子顯微鏡之間。和掃描隧道顯微鏡相比，想操縱好一個(gè)電子顯微鏡，你需要擁有長(zhǎng)時(shí)間的操作經(jīng)驗(yàn)和方方面面的技巧。總結(jié)以上是對(duì)SPM的起源發(fā)展及其工作原理的介紹，同其他的表面分析儀器相比，如光學(xué)和電子顯微鏡等，SPM有著諸多優(yōu)勢(shì)，它有其他表面分析儀器所無(wú)法比擬的分析分辨率，其納米量級(jí)上的表面形貌描述，能使人們對(duì)樣品表面有了直觀的映像。此外它不僅可以作為一種測(cè)量工具，還可以利用其合適的探針對(duì)物質(zhì)進(jìn)行加工、改性。是人們認(rèn)識(shí)微觀世界改造微觀世界的有利工具。&呈現(xiàn)原子或分子的表面特性氧化鋅薄膜的AFM圖(單位：nm)氧化鋅顆粒的顆粒比例圖（a）和粒度分布圖（b）掃描探針顯微鏡的應(yīng)用&呈現(xiàn)原子或分子的表面特性乳膠薄膜的AFM圖(A)和三維立體圖(B)(單位:nm)AB有嚴(yán)重缺陷(A)和較為完美(B)的高分子鍍膜（單位:nm)AB掃描探針顯微鏡的應(yīng)用a)STMimageoftheshort-rangeorderingofhead-to-tailcoupledpoly(3-dodecylthiophene)onhighlyorientedpyrolyticgraphite(20×20nm);b)calculatedmodelofpoly(3-dodecylthiophene)correspondingtotheareaenclosedinthewhitesquarein(a);c)three-dimensionalimageof3showingsubmolecularresolvedchainsandfolds(9.3×9.3nm2)[6]&呈現(xiàn)原子或分子的表面特性掃描探針顯微鏡的應(yīng)用a.高取向熱解石墨上聚乙烯3-十二烷噻吩頭尾相接，短程有序的STM圖像b.a圖中白框區(qū)域內(nèi)聚乙烯3-十二烷噻吩計(jì)算得到的模型c.亞分子鏈接和褶皺的三維立體圖像&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[7].掃描探針顯微鏡的應(yīng)用0.15V恒壓下，在0.1MHClO4溶液中，苯硫醇分子的晶核形成和生長(zhǎng)過(guò)程的STM圖像&用于研究物