扫描探针显微技术集合
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利用扫描探针显微镜研究材料表面随着科技的不断进步,材料表面的研究变得愈发重要。
在材料科学中,材料表面的特性对于材料的性能、功能以及应用可能起着决定性的作用。
为了更好地理解材料表面的性质,人们使用了各种各样的技术,其中一种便是扫描探针显微镜。
扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscopy,SPM)是一种基于扫描探针的显微技术,通过探测器与样品之间的相互作用来研究材料表面的形态、结构以及性质。
这种技术具有高分辨率、高灵敏度和非破坏性等特点,能够在纳米尺度下观察和测量材料表面的微观结构和性质。
其中一种常见的扫描探针显微镜是原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)。
通过探针的尖端与样品表面的相互作用力,AFM能够绘制出材料表面的拓扑图像。
AFM可以实现高分辨率的表面测量,其分辨率可以达到纳米甚至次纳米级。
AFM的工作原理基于探针的尖端与样品表面之间的相互作用力。
探针的尖端通过弹性力与样品表面保持接触,并且在扫描过程中受到表面特征的影响。
通过感应探针尖端的弯曲变化,可以获取关于样品表面形貌以及力学性质等信息。
除了原子力显微镜,扫描探针显微镜还包括场发射显微镜(Field Emission Microscope,FEM)和电子探针显微镜(Electron Probe Microscope,EPM)等。
这些显微镜在不同的研究领域中发挥着重要的作用。
利用扫描探针显微镜进行材料表面研究可以帮助我们深入了解材料的结构和性质。
例如,通过观察材料表面的拓扑图像,可以分析材料的表面形状、纹理以及粗糙度等特征。
这对于材料的制备和性能的改善非常重要。
此外,扫描探针显微镜还可以用于研究材料表面的化学性质。
通过结合特定的化学探针,可以实现对材料表面化学组成和反应的表征。
这有助于我们了解材料的化学性质,并且为材料的应用提供参考。
扫描探针显微镜在材料科学领域的应用非常广泛。
它可以应用在金属、陶瓷、半导体、生物材料等各种类型的材料中。
扫描探针显微术SPM:摩擦力热电磁化学光学其他STM-隧穿效应。
AFM-原子间的库伦作用。
对于绝缘体比STM成像更清晰。
扫描探针的特点:(1)分辨率高横0.1nm纵0.01nm(2)实时得到物体表面-表面扩散等动态过程的研究(3)单个原子层的局域结构-表面缺陷.重构.吸附体的形态和位置及由其引起的表面重构(4)可在真空、常温、大气等环境工作,无需特殊制样,对样品无损伤-生物样品和不同条件样品的表面,多相催化.超导.电化学中电极表面监测(5)配合扫描隧道谱,可得到表面结构的信息-不同层次的态密度.电子阱.电荷密度波,势垒变化,能隙结构(6)相对设备简单,体积小,价格便宜,环境要求低、制样简单,快捷方便。
移动原子或分子,失效分析,生物应用,硬盘检查,薄膜表征。
(7)检测效率低,定位和寻找结构慢,对样品表面的粗糙度有要求,探针的特性引起失真。
AFM:(1)接触模式-库伦排斥,恒力。
优点图像稳定分辨率高,缺点针尖或样品受伤害,不适合低弹性样品,不适合软性(分子聚合物,细胞)(2)非接触模式-库伦吸引,恒高。
优点适合柔软或弹性不会污染表面,缺点技术难度大分辨率低不适合液体(3)轻敲模式-介于接触和不接触斥,恒力。
优点分辨率高扫描速度较快适合柔性易碎或者粘附性样品受横向力影响小,缺点无法达到原子水平扫苗较慢技术复杂。
恒高和恒力:(1)恒高不使用反馈电路保持针尖和样品距离一定测量微臂振动,优点扫描速度快不适合起伏大(2)恒力使用反馈电路保持针尖和样品力一定保持微臂一定测量针尖的上下起伏,特点受控反馈的时间响应针尖上的力很好控制。
微悬臂测量:(1)隧道电流(2)光束偏折(3)光学干涉(4)电容法。
超高分辨率的扫描探针显微镜技术(SPM)是一种非常重要的材料表征技术,它能够提供原位、原子尺度下的电子结构、表面拓扑结构和力学性质。
它的精度和效率远高于传统的光学显微镜和电子显微镜,因此被广泛应用于材料科学、物理学和化学研究领域。
近年来,随着纳米材料的快速发展,超高分辨率的SPM也取得了长足的进步。
其中,探针技术和显微镜技术是超高分辨率SPM中的两个重要方面。
探针技术是指用于在样品表面扫描的针状物,如STM(扫描隧道显微镜)用金属探针和AFM (原子力显微镜)用针尖探测样品表面。
显微镜技术包括光学、原子力、隧道和磁力显微镜等。
现在,STM、AFM和其它SPM技术已经被广泛应用于生物医学、纳米电子、磁性材料、量子信息和电磁材料等领域,其中尤以人类大脑、纳米电子组件和新型磁性材料的探究最具前景。
扫描隧道显微镜是最早的SPM技术,它通过利用电子量子隧穿的原理,读取样品表面电荷分布来实现表面结构的成像。
这种技术的最大优势是在非常低的噪声水平下工作,而且不需要进行样品标记和样品制备,所以在生物医学和生命科学领域得到了广泛的应用。
随着AFM技术的发展,现在它是最常用的SPM技术之一。
它可以实现在非真空环境下对物质表面高精度测量和成像,且不需要样品不导电性。
AFM技术还可用于探究无机材料和生物材料的表面形貌、力学性质、化学反应和生物分子相互作用等。
磁力显微镜是一种新兴的SPM技术,它用于成像具有自发磁性的材料表面。
这种技术需要用到具有微小磁矩的探针,通过扫描样品表面,利用样品表面的磁场变化来实现表面磁场的成像。
这种技术可以用于探究磁性纳米材料、自旋电子学和磁性记忆器件等方面的研究。
总之,是材料科学和表面科学研究领域最重要的技术之一。
它在发现新物质、制造新设备、进行基础科研方面扮演了不可或缺的角色,并为材料和工程技术的发展提供了支持和基石。
11 扫描探针显微分析Scanning Probe Microscopy19世纪80年代初期,扫描探针显微镜(SPM)因 首次在实空间展现了硅表面的原子图像而震 动了世界。
从此,SPM在基础表面科学、表面 粗糙度分析和从硅原子结构到活体细胞表面 微米尺度的突出物的三维成像等学科中发挥 着重要的作用。
SPM基本构成扫描探针显微镜的特点:(1)成像宽广、观察范围宽广,可延伸至光学和电子 显微镜的领域。
(2) 3D分辨率高:以从原子到微米级别的分辨率研究 材料的表面特性。
(3) 可实现一些特定物理量的测量,如表面电导率、 静电电荷分布、区域摩擦力、磁场和弹性模量等。
扫描探针显微镜(SPM)是一类仪器的总称,包括描隧道 显微镜(STM) 、原子力显微镜(AFM)等。
6.1 扫描隧道显微镜(STM)Scanning Probe Microscopy (SPM) :STM (Scanning Tunneling Microscopy), AFM (Atomic Force Microscopy), LFM (Lateral Force Microscopy), 侧向力显微 镜:第二種Contact mode AFM,主要用1981年,国际商业机器公司苏黎世实验室的G..Binnig(宾尼) 和Heinrich Rohrer(罗雷尔)及其同事研制成功了世界上第 一台能够在实空间获得表面原子结构图像的新型表面分析 仪器—扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,简称 STM)扫描隧道显微镜(STM)。
1986年宾尼和罗雷尔因此获得 诺贝尔物理学奖。
STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的 排列状态,研究与表面电子行为有关的物理和化学性质, 在表面科学、材料科学等领域的研究中具有重大的意义和 广阔的应用前景。
來偵測針尖和樣品表面的相對摩擦力而 同時成像MFM (Magnetic Force Microscopy)1Basic components of a STM microscopethe sample you want to study a sharp tip to be placed in very close proximity to the sample a mechanism to control the location of the tip in the x-y plane parallel to the sample surface (XY scan control) a feedback loop to control the height of the tip above the sample (the z-axis)Scanning Tunnelling Microscopy (STM)STM分辨率在水平方向可达0.1nm,垂直方向可达0.01 nm,在原子和纳米尺度具有很强的分析和加工能力。