扫描探针显微技术及其应用123页PPT

1992年又成功移动了吸附在Pt表面上的CO原子。 1993年成功移动48颗Fe原子排列成圆形，实现原子操纵 技术。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
科学家把碳60分子每十个一组放在铜的表面组成了世界 上最小的算盘。
1990年，美国圣荷塞IBM阿尔马登研究所D. M. Eigler等 人在超真空环境中，用35个Xe原子排成IBM三个字母， 每个字母高5 nm，Xe原子间的最短距离为1 nm。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
重要意义：SPM可操纵单原子、单分子技术，能使
人类从目前的微米尺度对材料的加工跨入到纳米尺度、 原子尺度，完成单分子、单原子、单电子器件的制作， 也可移动原子，构造纳米结构
早在1959年美国著名物理学家，诺贝尔奖金获得者费 曼就设想：“如果有朝一日，人们能把百科全书存储 在一个针尖大小的空间内，并能移动原子，那将给科 学带来什么？”这正是对于纳米科技的预言，也就是 人们常说的小尺寸大世界。
扫描探针显微镜产生的必然性
表面结构分析仪器的局限性
1932年
Ruska Knoll
电子显微镜
透射 电子 显微
镜
场电 子显 微镜
场离 子显 微镜
电子 探针
低能 电子 衍射
光电 子能
谱
扫描 电子 显微
镜
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。

中国科学院沈阳自动化研究所
微纳米实验室
29
4.1 磁力显微镜
磁力显微镜(magnetic force microscope, MFM) 是AFM的一 个分支，是在 AFM 的基础上发展演化而来的。典型的 MFM针尖是在Si或Si3N4针尖上包覆一层磁性薄膜，使针 尖具有磁性，因而在对样品进行扫描时能感受到样品杂 散磁场的微小作用力，探测这个力就能得到产生杂散磁 场的表面磁结构的信息。对MFM来说，针尖样品间作用 力主要包括范德华力和磁力。在针尖－样品间距离很近 时，以范德华氏力占主导；当针尖－样品间距离较远时 （~100nm 以上） ，磁力占主导。
中国科学院沈阳自动化研究所
微纳米实验室
23
AFM扫描方式
轻敲模式：AFM轻敲扫描
中国科学院沈阳自动化研究所
微纳米实验室
24
AFM扫描方式
轻敲模式：AFM相位成像
细菌细胞扫描图像: (a)高度图, (b)相位图
中国科学院沈阳自动化研究所
微纳米实验室
25
AFM扫描方式
非接触模式
中国科学院沈阳自动化研究所
微纳米实验室
16
3.2 原子力显微镜(AFM)
宾尼等人1986年发明的第 一台原子力显微镜原理
1988年，Meyer和Amer用激光反射法(Laser beam deflection) 代替原先的 STM 针尖检测 法，这成为现有AFM的标准检测方法。
中国科学院沈阳自动化研究所
微纳米实验室
17
AFM的探针
中国科学院沈阳自动化研究所
微纳米实验室
8
尽管压电陶瓷驱动器具有分辨率高、响应快等优点，但 由于材料内部微粒极化原因及分子间摩擦力等特点，导 致其也有一些固有的缺点： • 迟滞/非线性 • 蠕变 • 温漂

8
.
9
隧道效应是由于粒子的波动性而 引起的，只有在一定的条件下，隧道 效应才会显著。经计算，透射系数T 为：：
T16E(V0E)e2ha 2m(V0E) V02
.
10
实验设想：
将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作 为两个电极；
当样品与针尖距离非常接近 (通常小于1nm) ；
加入外加电场的作用下。
.
36
.
37
该电子反馈系统最主要的是反馈功能，这里采 用的是模拟反馈系统，即针尖与样品之间的偏 压由计算机数模转换通道给出，再通过X、Y、 Z偏压控制压电陶瓷三个方向的伸缩，进而控 制针尖的扫描。电子学控制系统中的一些参数， 如振幅衰减的设定值，反馈速度的快慢等，都 随着不同样品而异，因而在实际测量过程中， 这些参量是可以调节的。一般在计算机软件中 可以设置和调节这些数值，也可以直接通过电 子学控制机箱上的旋钮进行调节。
.
33
.
34
在一般情况下，以上两种减震措施基本上能够 满足扫描隧道显微镜仪器的减震要求。某些特 殊情况，对仪器性能要求较高时，还可以配合 诸如磁性涡流阻尼等其它减震措施。测量时， 探测部分(探针和样品)通常罩在金属罩内，金 属罩的作用主要是对外界的电磁扰动、空气震 动等干扰信号进行屏蔽，提高探测的准确性。
.
28
Binnis和Rohrer等人在IBM苏黎世实验室设计的STM
中，采用的的粗调驱动器（作“小爬虫”，Louse）
粗调驱动器(L)由连成 三角形的三条相互绝 缘的压电陶瓷材料和 三只金属脚（MF）构 成．MF外镀一层高绝 缘薄膜，使其与水平 金 属 台 板 (GP) 高 度 绝 缘 ． 在 MF 和 GP 之 间 加上电压，由于静电 作 用 MF 就 被 吸 在 GP 上，去掉电压，MF则 被“释放”．

扫描探针显微镜的特点
5、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 的变化和能隙结构等。
6、在技术本身，SPM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、检 测快捷、操作简便等特点，同时SPM的日常维护和运行费用也 十分低廉。
1932年
Ruska
Knoll
电子显微镜
透射 电子 显微 镜
场电 子显 微镜
场离 子显 微镜
电子 探针
低能 电子 衍射
光电 子能 谱
扫描 电子 显微 镜
扫描探针显微镜产生的必然性
低能电子衍射 和 X射线衍射 高分辨透射电子 显微镜 光学显微镜 和 扫描电子显微镜 X射线光电子 能谱 场电子显微镜 和 场离子显微镜
扫描探针显微镜的应用 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]
Diameter-Dependent Growth Direction of Epitaxial Silicon Nanowires[5]
SPM (scanning probe microscope) 发展史


1981年IBM公司G. Binning和H. Rohrer发明了扫描隧道显微镜 (STM)， 1986年获诺贝尔物理奖。STM使人类第一次跨入原子 世界，直接观察物质表面的单个原子。 1985年G. Binning在STM的基础上发明原子力显微镜（AFM） 随后又相继发明了 力调制显微镜 (FMM) 相位检测显微镜 (PDM) 静电子显微镜 (EFM) 电容扫描显微镜 (SCM) SPM 热扫描显微镜 (SThM) 近场光隧道扫描显微镜 (SNOM) 等等

通过本研究，我们进一步了解了 SPM在纳米制造中的重要性和应用 前景，为未来相关领域的研究和应 用提供了有益的参考和借鉴。
对未来研究的建议和展望
01
02
03
04
深入研究SPM的原理和技术 ，提高其成像和操控精度，以 满足更广泛的纳米制造需求。
探索SPM与其他纳米制造技 术的结合，实现更高效、智能
的纳米制造。
在纳米尺度上的力学性能测试方面，SPM可以用于研究材料在纳米尺度上的力学性能和行为，为新材料 的开发和优化提供有力支持。
扫描探针显微镜在纳米制造中的挑战和前景
尽管SPM在纳米制造中已经得到了广泛应用，但仍存在一些挑战，如测 量精度和稳定性的提高、操作速度的加快以及与其他制造工艺的集成等。
随着技术的不断进步和应用需求的不断提高，SPM在未来仍将不断发展 创新，进一步提高测量和加工精度，实现更快速、更高效、更智能的纳
03
纳米制造技术介绍
纳米制造的定义和重要性
纳米制造的定义
纳米制造是一种在纳米级别上设计和制造材料、结构和系统的技术。它涉及到原子、分子的精确控制和操作，以 实现材料和器件的超精密制造。
纳米制造的重要性
随着科技的发展，人们对纳米级别上的材料和器件的性能要求越来越高，这使得纳米制造成为当前和未来科技发 展的重要方向。纳米制造技术的发展将为新一代的电子产品、医疗设备、能源技术等领域提供关键的技术支持。
米制造。
SPM的应用前景非常广阔，不仅在传统的半导体制造、新材料研发等领 域有着广泛的应用，还在生物医学、环境监测等领探针显微镜（SPM）在纳米制造领 域具有重要应用，能够实现原子级分辨 率的表面形貌成像和精确的纳米尺度操 控。
本研究深入探讨了SPM的基本原理、技术发 展和在纳米制造中的应用，并针对SPM在纳 米制造中的挑战和未来发展方向进行了分析 和展望。

对于扫描探针显微术的最初研究可以追溯到上个世纪２０年代。 1928年英国科学家Synge提出了扫描探针近场光学显微镜的概念。他 提出制造一个玻璃的针尖，在这个针尖的末端有一个极小的照相机的光 圈，然后用这个针尖对待测样品作一行行的扫描。他后来也提出了对样 品进行压电式扫描的想法。但由于种种原因，他的工作没有受到注意。 直到1956年，O’Keefe重新研究了相同的想法。这次，
0.1nm
纵向分辨率 可达
0.01nm
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；
FIM：场离子显微镜；REM：反射电子显微镜 第14页，本讲稿共34页
扫
描
探
针
应 用
显 微 镜
的
特
点
与
2、可实时地得到实空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。
6、在技术本身，SPM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、检测快捷、操作简便等特点， 同时SPM的日常维护和运行费用也十分低廉。
第16页，本讲稿共34页
扫
描
探
与 应 用
针 显 微 镜
的
特
点
扫描探针显微镜的其他应用
&通过显微镜探针可以操纵和移动单个原子或分子
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。
第15页，本讲稿共34页
扫
描
探
针
应 用
显 微 镜
的
特
点
与
5、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、表面势垒的变化和能隙结构等。

15
STM图像不仅勾画出样品表面原子的几何结构，而且还 反映了原子的电子结构特征 隧穿电流图像表述样品形貌，但更为精确地，隧穿电流 对应的是表面电子态密度。 实际上，STM检测的是在由偏压决定的能量范围之间、 费米能级附近被充满和未充满的电子态数量，或者说是 具有恒定隧穿几率的曲面，而不是物理形貌。 因此STM图像是样品表面原子几何结构和电子结构综合 效应的结果。
18
19
对微弱力敏 感的悬臂 力检测器
20
原子力显微镜使用一个一端固定，另一端装有针尖 这样一个对微弱力敏感的悬臂。针尖长为若干微 米，直径通常小于100nm，悬臂长100-200微米。 当针尖或样品扫描时，由于针尖或样品间的相互作 用（可能是吸引力，可能是排斥力）将使悬臂产生 微小的形变。 反馈系统则根据测器检测的结果不断调整针尖 （或样品）Z轴方向的位置，以保证在整个扫描过 程中悬臂微小形变不变，即针尖与样品间的作用力 恒定。测量高度Z随（x，y）位置变化，就可以得 到样品表面的形貌图像。
• 扫描隧道显微镜的基本 原理是将原子线度的极 细探针和被研究物质的 表面作为两个电极，当 样品与针尖的距离非常 接近 (通常小于1nm) 时，在外加电场的作用 下，电子会穿过两个电 极之间的势垒流向另一 电极。
7
顶部有一直径约50-100nm的极细金属探针（通常是金 属钨或铂-铱合金制作的针尖），功能是在其与样品相 互作用时，可根据样品性质的不同（如表面原子几何结 构、电子结构）产生变化的隧道电流。
在扫描隧道显微镜工作时，针尖与样品表面工作距离一 般约为0.3-1.0 nm，满足量子隧穿效应。 当在它们之间施加一偏压时，电子就因量子隧穿效应在 针尖-样品之间转移。
8
隧穿电流与针尖-样品间偏压、针尖-样品之间距离、平 均功函数之间的关系可表示为： I∝ Vbexp(-AΦ1/2S) Vb为针尖与样品间施加的偏压；A为常数，在真空条件下约 等于1；Φ 为针尖与样品的平均功函数；S为针尖与样品表面 间的距离。