扫描探针显微技术(SPM)

SPM(扫描式探针显微镜)一般用语●SPM(扫描式探针显微镜；Scanning Probe Microscope)于试料表面以微小探针扫描，探针与试料间相互作用的物理量(穿隧电流、原子间力、摩擦力、磁力力等)检测，对于微小领域的表面形状检测及物性分析等行为的总称。

主要代表SPM 的有STM(扫描式穿隧电流显微镜)、AFM(原子力显微镜)等。

●STM(扫描式穿隧电流显微镜；Scanning Tunneling Microscope)使用导电性探针与试料间微小电流的利用，对探针与试料间的距离扫描控制，以分析试料表面形状，获得原子级图像的SPM。

使用测定试料必须为导电性材质。

●AFM(原子力显微镜；Atomic Force Microscope)于挠性微悬臂先端的探针与试料表面微小作用力的接触，控制微悬臂的受力值，对探针与试料间的距离扫描控制，以分析试料表面形状，获得原子级图像的SPM 表面形状。

另外可区分为接触式(DC mode) 与非接触式(AC mode) 二种类型的AFM。

使用测定试料可为导电性材质或绝缘体，亦可探测试料表面物性(摩擦力粘弹性表面电位等)的应用。

●LFM(侧向摩擦力显微术；Lateral Force Microscopy)接触式AFM 模式下可探测试料的摩擦力分布，LFM 属于SPM 的探测方式之一。

针对试料的Y 轴方向侧振动，此时探针连杆产生的扭转角度讯号可求得摩擦力分布的图像。

试料面的凹凸对连杆扭曲的形状影响较小。

●FFM(摩擦力显微术；Friction Force Microscopy)接触式AFM 模式下可探测试料的摩擦力分布，FFM 属于SPM 的探测方式之一。

主要根据探针连杆扭转方向变化(扭转角度范围的设定值为-90°至90°)，此时产生的扭转角度讯号(FFM讯号) 可求得摩擦力分布的图像。

主要应用于无法试料表面形状判别的材质性问题，如参杂物分布的状况调查。

扫描探针显微镜（scanning probe microscope,SPM） 一、 设备简介：该仪器集成原子力显微镜(AFM)、摩擦力显微镜(LFM)、扫描隧道显微镜(STM)、磁力显微镜(MFM)和静电力显微镜(EFM) 于一体，具有接触、轻敲、相移成像、抬起等多种工作模式，能够提供全部的原子力显微镜 (AFM) 和扫描隧道 (STM) 显微镜成像技术，可以测量样品的表面特性，如形貌、粘弹性、摩擦力、吸附力和磁/电场分布等等。

●分辨率原子力显微镜(AFM)：横向 0.26nm, 垂直 1nm（以云母晶体标定） 扫描隧道显微镜(STM)：横向 0.13nm, 垂直 0.1nm（以石墨晶体标定）●机械性能样品尺寸：最大可达直径12mm，厚度8mm扫描范围：125X125μm，垂向1μm●型号：Veeco NanoScope MultiMode扫描探针显微镜本次培训着重介绍该设备常用模式：Contact Mode AFM二、AFM独特的优点归纳如下:(l)具有原子级的超高分辨率。

理论横向分辨率可达0.1nm，而纵向分辨率更高达0.01nm。

，从而可获得物质表面的原子晶格图像。

(2)可实时获得样品表面的实空间三维图像。

既适用于具有周期性结构的表面，又适用于非周期性表面结构的检测。

(3)可以观察到单个原子层的局部表面性质。

直接检测表面缺陷、表面重构、表面吸附形态和位置。

２０１２ｉｓ　ｃｏｍｉｎｇ(4)可在真空、大气、常温、常压等条件下工作，甚至可将样品浸在液体中，不需要特殊的样品制备技术。

三、AFM的基本原理:AFM基于微探针与样品之间的原子力作用机制。

以带有金字塔形微探针的“V”字形微悬臂(Cantilever)代替STM的针尖，当微探针在z向逼近样品表面时，探针针尖的原子与样品原子之间将产生一定的作用力，即原子力，原子力的大小约在10-8~10-12N之间。

与隧道电流类似，原子力的大小与探针一样品间距成一定的对应关系，这种关系可以由原子力曲线来表征一般而言，当探针充分逼近样品进入原子力状态时，如两者间距相对较远，总体表现为吸引力;当两者相当接近时，则总体表现为排斥力。

扫描探针显微镜工作原理
扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是一种
高分辨率显微镜，能够实现对物质表面的原子级别成像。

其工作原理基于显微针（probe）的扫描和相互作用力的测量。

1. 探针的制备：显微针一般是由导电材料制成，如金属或半导体材料。

常用的探针形状包括尖锐的金字塔、圆锥或纳米线等。

2. 扫描：探针通过微机械控制精确地扫描物体表面。

扫描方式一般有两种：原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）和隧道电子显微镜（Scanning Tunneling Microscopy，STM）。

3. 相互作用力测量：
- AFM：探针尖端与样品表面之间的相互作用力会改变探针
的弯曲度或振动频率，并通过探针弹性常数和振幅的变化来测量相互作用力。

常用的工作模式有接触模式、非接触模式和谐振模式。

- STM：通过将探针靠近样品表面，利用隧道效应中的电子
隧道电流来实现相互作用力测量。

由于隧道电流强依赖于针尖与样品之间的距离，通过测量电流变化可以获得样品表面的几何拓扑图像。

4. 数据处理和成像：根据探针的扫描轨迹和相互作用力的测量结果，可以得到物体表面的几何形貌和性质。

通过计算机图像处理算法进行数据处理和分析，可以生成高分辨率的原子级别表面成像。

扫描探针显微镜具有高分辨率、操作灵活等优点，并可以应用于材料科学、生物学、纳米技术等领域的研究和应用。

扫描探针显微镜（scanning probe microscope,SPM） 一、 设备简介：该仪器集成原子力显微镜(AFM)、摩擦力显微镜(LFM)、扫描隧道显微镜(STM)、磁力显微镜(MFM)和静电力显微镜(EFM) 于一体，具有接触、轻敲、相移成像、抬起等多种工作模式，能够提供全部的原子力显微镜 (AFM) 和扫描隧道 (STM) 显微镜成像技术，可以测量样品的表面特性，如形貌、粘弹性、摩擦力、吸附力和磁/电场分布等等。

●分辨率原子力显微镜(AFM)：横向 0.26nm, 垂直 1nm（以云母晶体标定） 扫描隧道显微镜(STM)：横向 0.13nm, 垂直 0.1nm（以石墨晶体标定）●机械性能样品尺寸：最大可达直径12mm，厚度8mm扫描范围：125X125μm，垂向1μm●型号：Veeco NanoScope MultiMode扫描探针显微镜本次培训着重介绍该设备常用模式：Contact Mode AFM二、AFM独特的优点归纳如下:(l)具有原子级的超高分辨率。

理论横向分辨率可达0.1nm，而纵向分辨率更高达0.01nm。

，从而可获得物质表面的原子晶格图像。

(2)可实时获得样品表面的实空间三维图像。

既适用于具有周期性结构的表面，又适用于非周期性表面结构的检测。

(3)可以观察到单个原子层的局部表面性质。

直接检测表面缺陷、表面重构、表面吸附形态和位置。

２０１２ｉｓ　ｃｏｍｉｎｇ(4)可在真空、大气、常温、常压等条件下工作，甚至可将样品浸在液体中，不需要特殊的样品制备技术。

三、AFM的基本原理:AFM基于微探针与样品之间的原子力作用机制。

以带有金字塔形微探针的“V”字形微悬臂(Cantilever)代替STM的针尖，当微探针在z向逼近样品表面时，探针针尖的原子与样品原子之间将产生一定的作用力，即原子力，原子力的大小约在10-8~10-12N之间。

与隧道电流类似，原子力的大小与探针一样品间距成一定的对应关系，这种关系可以由原子力曲线来表征一般而言，当探针充分逼近样品进入原子力状态时，如两者间距相对较远，总体表现为吸引力;当两者相当接近时，则总体表现为排斥力。

扫描探针显微镜/SPM(原子力显微镜)设备安全操作规程前言扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy, SPM）是一种能够在原子、分子尺度上进行检测和表征的分析仪器。

此类显微镜利用扫描探针在样品表面上扫描，通过所获得的信号进一步得到样品表面的拓扑、结构和力学性质等信息。

因其高分辨率和单原子敏感性，尤其在纳米结构材料的表征上有着广泛的应用，而且已经成为了纳米科学与技术中不可或缺的工具之一。

然而，SPM技术操作需要注意许多安全事项，不当操作会引入样品污染、设备故障、人身安全等问题。

因此，本文将总结一些应该注意的安全操作规程，以提高SPM技术人员的意识和实验操作品质。

总则1.所有使用SPM的人员，应该经过专业培训并具有相应的操作证书。

2.只有在清洁、无异议的实验室内进行SPM操作，不得在人流、高分贝、高湿、高温等环境下进行。

3.严格按照使用手册和SPM设备厂商的安全规范进行操作。

4.禁止将SPM设备移动离开实验室。

5.禁止人为添乱或者胡乱修改设备参数。

操作规程1.仪器开启前，检查样品盒是否正确安装，确认样品及其密封是否符合IP67标准，检查SPM控制器是否处于正确运行状态。

2.操作人员应该穿戴适当的防护手套、口罩和实验服装，避免样品误触和发尘，注意个人卫生。

3.开机前，根据已运行实验数据的导向，设定扫描范围和参数，避免一次性盲目调整。

4.仪器工作期间，严禁同时使用或连接其它电子设备，以免与SPM的信号产生干扰。

5.操作人员应降低操作声音、保持微风不扰设备和样品，避免防尘屏幕上产生氧化物颗粒物。

6.对样品进行工作前的准备操作过程中，需要保留稳定的温度和一定的卧室气体环境，注意尽量避免冷带电流短时间过小或者样品污染。

7.实验完成后，必须先将压载台缓慢降低，保证样品表面与探针离开，再关闭样品盒和实验台，推出样品盒进行清洗。

操作误区1.停电后，不要直接关机或重新插拔SPM控制器电源连接线（DC12V/24V）和其他数据线，以免直接接触硬盘。

SPM产品介绍和应用指南SPM（Scanning Probe Microscopy）是一种高精度、高分辨率的表面成像技术，通过扫描探针在样品表面上进行原子尺度的扫描和测量，可以获得样品表面的拓扑、电子结构和力学性质等信息。

SPM技术根据测量原理的不同可分为多种类型，例如原子力显微镜（AFM）、电子探针显微镜（STM）和化学力显微镜（CFM）等。

本文将介绍SPM技术的基本原理、常见应用以及应用指南。

一、SPM技术的基本原理SPM技术主要基于扫描探针与样品表面之间的相互作用进行测量。

在AFM中，扫描探针通过控制扫描头的位置，使探针与样品表面之间的相互作用力保持恒定，然后记录探针的位置变化，从而获取样品表面的拓扑结构。

在STM中，探针通过电子隧道效应与样品表面进行相互作用，记录电荷转移的电流，从而获取样品表面的原子分辨率拓扑图像。

二、SPM技术的应用SPM技术具有非常广泛的应用领域，可以在材料科学、物理学、生命科学和纳米科技等领域得到广泛应用。

1.材料科学SPM技术可以对各种材料的表面形貌和结构进行表征，包括金属、半导体、陶瓷、生物材料等。

通过这种技术，可以了解材料的晶体结构、纳米级缺陷和有序颗粒等特性，为材料的设计、制备和改性提供重要依据。

2.物理学研究SPM技术在物理学研究中发挥了重要作用。

例如，在表面物理学中，研究扫描电子显微镜（SEM）和STM技术可以提供材料表面的反应活性、电子结构等信息。

在量子力学研究中，SPM技术可以实现原子尺度的图像和单电子操控。

3.生命科学SPM技术在生命科学领域的应用非常广泛。

例如，在细胞学研究中，可以利用AFM技术观察细胞的拓扑结构、力学特性和分子相互作用等。

在生物化学研究中，可以利用SPM技术观察蛋白质、DNA和RNA等生物大分子的结构和相互作用。

4.纳米科技SPM技术对纳米材料的研究和应用起到了重要的推动作用。

通过SPM 技术，可以制备、操控和测量纳米级结构和器件，为纳米科技的发展提供基础支持。

扫描探针显微镜扫描探针显微镜（ScanningProbeMicroscope，SPM）是扫描隧道显微镜及在扫描隧道显微镜的基础上进展起来的各种新型探针显微镜（原子力显微镜AFM,激光力显微镜LFM，磁力显微镜MFM等等）的统称，是国际上近年进展起来的表面分析仪器，是综合运用光电子技术、激光技术、微弱信号检测技术、精密机械设计和加工、自动掌控技术、数字信号处理技术、应用光学技术、计算机高速采集和掌控及高辨别图形处理技术等现代科技成果的光、机、电一体化的高科技产品。

目录应用特点应用SPM的应用领域是宽广的。

无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料、微电子等应用学科都有它的用武之地。

SPM的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的。

同其它表面分析技术相比，SPM有着诸多优势，不仅可以得到高辨别率的表面成像，与其他类型的显微镜相比（光学显微镜，电子显微镜）相比，SPM扫描成像的一个巨大的优点是可以成三维的样品表面图像，还可对材料的各种不同性质进行讨论。

同时，SPM正在向着更高的目标进展，即它不仅作为一种测量分析工具，而且还要成为一种加工工具，也将使人们有本领在微小的尺度上对物质进行改性、重组、再造．SPM对人们认得世界和改造世界的本领将起着极大的促进作用。

同时受制其定量化分析的不足，因此SPM的计量化也是人们正在致力于讨论的另一紧要方向，这对于半导体工业和超精密加工技术来说有着非同一般的意义扫描隧道显微镜（STM）在化学中的应用讨论虽然只进行了几年，但涉及的范围已极为广泛。

由于扫描隧道显微镜（STM）的最早期讨论工作是在超高真空中进行的，因此最直接的化学应用是察看和记录超高真空条件下金属原子在固体表面的吸附结构。

在化学各学科的讨论方向中，电化学可算是很活跃的领域，可能是由于电解池与扫描隧道显微镜（STM）装置的相像性所致。

同时对相界面结构的再认得也是电化学家们长期关注的课题。

专用于电化学讨论的扫描隧道显微镜（STM）装置已研制成功。

扫描探针显微镜（SPM）原理简介庞文辉 2012.2.22一、SPM定义扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是扫描隧道显微镜及在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜（原子力显微镜AFM,激光力显微镜LFM，磁力显微镜MFM等等）的统称，包括多种成像模式，他们的共同特点是探针在样品表面扫描，同时针尖与样品间的相互作用力被记录。

SPM的两种基本形式：1、扫描隧道显微镜（Scanning Probe Microscope,STM）2、原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）AFM有两种主要模式：●接触模式（contact mode）●轻敲模式（tapping mode）SPM的其他形式：●侧向摩擦力显微术（Lateral Force Microscopy）●磁场力显微镜（Magnetic Force Microscope）●静电力显微镜（Electric Force Microscope）●表面电势显微镜（Surface Potential Microscope）●导电原子力显微镜（Conductive Atomic Force Microscope）●自动成像模式（ScanAsyst）●相位成像模式（Phase Imaging）●扭转共振模式（Torisonal Resonance Mode）●压电响应模式（Piezo Respnance Mode）●……二、STM原理及应用基于量子力学中的隧穿效应，用一个半径很小的针尖探测被测样品表面，以金属针尖为一电极，被测固体表面为另一电极，当他们之间的距离小到1nm左右时，形成隧道结，电子可从一个电极通过量子隧穿效应穿过势垒到底另一个电极，形成隧穿电流。

在极间加很小偏压，即有净隧穿电流出现。

隧穿电流与两极的距离成指数关系，反馈原理是采用横流模式，当两极间距不同（电流不同），系统会调整Z轴的位置从而成高度像。

扫描探针显微镜/SPM(原子力显微镜)设备安全操作规定本文档旨在规范扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）设备的安全使用，减少工作中的安全风险，为设备操作者提供保障和指导。

设备注意事项1. 设备的电源1.1 使用交流电源110~220V，输出电压为24V。

1.2 电源插头请确保安装稳固，不得使用破损或导线暴露的电源线。

1.3 禁止使用明显损坏的电源线或插头。

1.4 请勿在操作过程中拔掉电源线，应该先关闭设备电源，再进行电源拔插操作。

2. 设备的控制面板2.1 使用者应事先了解仪器的各种操作控制按钮、选项和指示灯的作用。

2.2 禁止在功率开关关闭时对装置进行操作调试。

2.3 系统操作过程中切勿指意外操作控制面板。

2.4 操作结束后请务必关闭操作面板的所有按钮和操作控制，关闭电源后离开设备。

3. 设备的扫描针3.1 禁止对设备进行恶性敲打、碰撞和其他人为损伤行为。

3.2 请勿在完全未扫描完成的情况下停止设备，并在拔下探头前使扫描部分下降到低位。

3.3 镜头不能直接碰触被测试样的表面或其他硬物，不能使用润滑油或其它油滴在探针刻面上。

3.4 工作结束后应将探头放在安全的地方。

对于不再使用的探头应分类存放。

4. 设备的使用环境4.1 在使用设备时不得吸烟、饮食和饮料等非实验品。

4.2 禁止在潮湿、易腐蚀、易燃或其他安全隐患环境下使用设备。

4.3 禁止在没有足够安全防护措施的情况下，将设备放在震动或移动频繁的地方。

4.4 使用结束后请对设备进行清洁和消毒。

设备使用注意事项1. 上机前的准备工作1.1 操作者需要检查测试设备是否有损坏或不完整的部分，如有发现，需及时上报负责人员。

1.2 操作者必须熟悉设备使用操作手册，按照要求进行操作。

1.3 操作前应将任何杂物和药品放置在固定位置。

2. 设备测试操作2.1 操作时应控制良好工作台和设备的退出器件，确保操作者的安全。

2.2 测试样品应根据操作指引按照规定方法放置到测试位置上。

SPM产品介绍和应用指南SPM（扫描探针显微镜）是一种先进的显微镜技术，它能够以原子级的分辨率观察和测量样品的表面形貌和特性。

SPM技术在材料科学、纳米技术、生物医学等领域具有广泛的应用。

一、SPM产品介绍SPM技术主要由扫描探针、样品台和探针针尖三部分组成。

其中，探针是SPM的核心部件，它负责对样品进行扫描和测量。

探针针尖的尖端具有原子级的尺寸，通过探针与样品之间的相互作用，可以得到样品表面的拓扑结构、电荷分布和力学性质等信息。

样品台是用于固定和定位样品的平台，保证样品和探针之间的稳定位置关系。

SPM产品通常包括原子力显微镜（AFM）、扫描隧道显微镜（STM）和近场光学显微镜（NSOM）等多种类型。

AFM是SPM技术中最常用的一种，它通过探针的弹簧式接触与样品表面相互作用，获得样品的表面形貌。

STM则是利用电子的量子隧穿效应，通过测量电流来获取样品表面的原子位置和电子状态。

NSOM则结合近场光学和SPM技术，能够实现纳米级分辨率的光学显微镜成像。

二、SPM应用指南1.表面形貌研究：SPM可以对物体表面进行高分辨率的三维成像和形貌重建，对于研究材料的表面形貌变化、粗糙度和纳米结构具有重要意义。

特别是在纳米材料和纳米器件的研究中，SPM可以提供丰富的形貌信息。

2.力谱学分析：SPM可以通过测量探针与样品之间的相互作用力，获取样品的力学性能。

通过应变-应力关系的分析，可以得到材料的弹性模量、硬度和体积变形等性质。

3.电学性能研究：SPM可以检测和测量样品的电流、电压、电荷分布等电学性质。

尤其是在半导体器件和电子元器件的研究中，通过SPM技术可以实现对局部电学性能的定量分析。

4.生物医学研究：SPM在生物医学领域中发挥着重要的作用。

通过SPM技术，可以对生物样品的纳米结构、分子排列以及细胞结构进行研究。

并且，SPM技术还可以用于观察和测量细胞的力学特性，如柔软度和弹性变形等，对于癌细胞的早期诊断和治疗具有潜在的临床应用前景。