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电子探针实验报告《电子探针实验报告》摘要：本实验利用电子探针技术对样品进行表面形貌和成分分析。
通过调节探针的位置和能量，我们成功地观察到了样品表面的微观结构和化学成分。
实验结果表明，电子探针技术是一种非常有效的表面分析方法，可以为材料研究和工程应用提供重要的信息。
引言：电子探针技术是一种利用高能电子束对样品表面进行扫描和分析的方法。
它具有高分辨率、高灵敏度和非破坏性等优点，被广泛应用于材料科学、化学、生物学等领域。
本实验旨在通过电子探针技术对样品进行表面形貌和成分分析，为学生提供实践机会，加深对该技术的理解和应用。
实验方法：1. 准备样品：选择不同的材料样品，如金属、陶瓷、聚合物等。
2. 调节仪器参数：根据样品的特性和分析需求，调节电子探针的加速电压、束流强度和探测器位置等参数。
3. 进行扫描分析：将样品放置在电子探针仪器上，通过控制电子束的位置和能量进行表面扫描和成分分析。
4. 数据处理和分析：根据实验结果，对样品的表面形貌和成分进行分析和解释。
实验结果：通过电子探针技术，我们成功地观察到了样品的表面形貌和成分。
在金属样品上，我们清晰地观察到了微观的晶粒结构和表面缺陷；在聚合物样品上，我们发现了不同区域的化学成分差异。
这些结果为我们提供了关于样品表面特性的重要信息，为材料研究和工程应用提供了参考。
结论：电子探针技术是一种非常有效的表面分析方法，具有高分辨率、高灵敏度和非破坏性等优点。
通过本实验，我们深入了解了电子探针技术的原理和应用，为今后的科研工作和工程实践提供了重要的参考和指导。
希望通过本实验，能够激发学生对科学研究和技术创新的兴趣，培养他们的实践能力和创新精神。
扫描探针显微镜原理扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是一种通过扫描探测器表面的探针来获取样品表面形貌和性质的显微镜。
它的工作原理基于根据样品表面的形貌变化，通过探测器与样品表面之间的相互作用力测量来获得显微图像。
在扫描探针显微镜中，探测器通过一系列控制机构移动并探测样品表面的特征。
其中最常使用的探测器是探针，它通常是由纳米尺寸的针状探头构成，例如扫描电子显微镜中的原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）和扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy，STM）。
在AFM中，探针通过控制探测器的位置，使得探针与样品表面保持一定的距离，并通过弹性变形或电力作用测量样品表面与探针之间的相互作用力。
这个相互作用力的变化可以通过探测器的位置和力传感器来测量，从而得到样品表面形貌的信息。
通过扫描探针与样品表面的相对运动，可以逐点测量并构建出样品表面的三维形貌图像。
在STM中，探针与样品之间的相互作用力主要是电荷之间的库仑作用力。
当探针和样品表面之间存在一定的电压差时，电子会通过隧道效应穿过探针与样品之间的空隙，形成隧道电流。
根据隧道电流的强度，可以推断出样品表面的形貌信息。
通过调整电压和探针的位置，可以扫描整个样品表面，并获得高分辨率的原子级图像。
与传统的光学显微镜相比，扫描探针显微镜具有更高的分辨率和更强的表面灵敏度。
它不依赖于样品的透明性或反射性，可以用于观察各种类型的样品，包括生物样品、纳米材料和表面结构复杂的材料等。
因此，扫描探针显微镜在材料科学、生物学和纳米技术等领域具有广泛的应用前景。
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。
一、实验目的1.采用探针扫描显微镜进行微纳米级表面形貌测量。
2。
了解扫描探针显微镜的工作原理并熟悉原子力显微镜的操纵。
二、实验设备原子力显微镜、光盘块、装有SPM Console在线控制软件和Image后处理软件的计算机。
三、实验基础原子力显微镜（Atomic Force Microscope ，AFM）,一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。
原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定,带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。
利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息.激光检测原子力显微镜(Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection, Laser-AFM)——扫描探针显微镜家族中最常用的一种为例，其工作原理如图1所示。
二极管激光器（Laser Diode）发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂（Cantilever）背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器(Detector）.在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。
在系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的距离始终保持在纳米（10e-9米）量级，距离太大不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品，反馈回路（Feedback)的作用就是在工作过程中，由探针得到探针-样品相互作用的强度,来改变加在样品扫描器垂直方向的电压，从而使样品伸缩，调节探针和被测样品间的距离,反过来控制探针样品相互作用的强度,实现反馈控制。
0引言扫描探针显微镜是一种研究材料表面结构的分析仪器,有多种工作模式,包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜、横向力显微镜、磁力显微镜、静电力显微镜等等。
原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)是一种表面成像技术,由Binning 等人在描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,STM)的基础上开发出的一种新型的、具有分子与原子级分辨率的显微镜。
由于原子力显微镜分辨率可以达到0.2nm,纵向分辨率可以达到0.1nm,且制样简单,是人类观察微观世界很好的工具,自其问世以来,这一检测技术广泛应用于物理、化学、生物、材料等领域[1-3]。
原子力显微镜的工作模式是以探针与样品之间的作用力形式来分类的。
主要有以下3种工作模式:接触模式,非接触模式和轻敲模式。
接触模式是探针与样品紧密接触,并在样品表面滑动,靠探针与样品之间的排斥力来获得表面图像。
非接触模式是探针始终不与样品接触。
轻敲模式是探针与样品进行间歇式接触,又被称为间歇式接触模式。
在大气环境中,当探针与样品不发生接触时,弹性微悬臂是以最大振幅进行自由振荡;当探针与样品表面发生间歇式接触时,尽管压电陶瓷片以同样的能量激发弹性微悬臂振荡,但是空间阻碍作用会使得弹性微悬臂的振幅减小,通过反馈系统可以控制弹性微悬臂的振幅保持恒定值,根据反馈信号的变化可以得到样品表面的形貌信息。
V 型纳米金刚石刀刃刀是精度高、稳定性好超硬材料刀具,具有极高的耐磨性,其尖圆弧半径达到纳米级,表面粗糙度高达1nm,其锋利度与超精密切削技术有着密切的关系[4],对于刃口的锋利度的表征成为检验纳米金刚石刀刃性能的一个重要指标。
一般基于原子力显微镜检测的样品,表面起伏不能超过3微米,在检测过程中能够较为容易的聚焦到所测样品的表面。
而对于具有特殊形状的样品,特别是在显微镜光学系统视野无法观测的纳米级金刚石刀刃来讲,其刀刃的位置不能清晰成像,如果按照一般成像操作,针尖与样品之间的距离太小,会造成探针在下针后会出现频繁跳针现象,不能真实反映纳米级尖锐样品的表面形貌,进而影响其他样品的参数结果。
扫描探针显微镜【目的要求】1.学习和了解扫描探针显微镜的结构和原理；2.把握扫描探针显微镜的模式之一---扫描隧道显微镜的操作和调试进程，并以之来观看样品的表面形貌；3.学习用运算机软件来处置原始数据图像。
【仪器用具】扫描探针显微镜、针尖、运算机、光栅样品【原理】扫描探针显微镜是继光学显微镜和电子显微镜进展起来后的第三代显微镜。
80年代初期，IBM公司苏黎世实验室的和发明了扫描隧道显微镜，它的分辨率达到纳米。
STM的诞生，令人类第一次在实空间观测到了原子，并能够在超高真空超低温的状态下操纵原子。
在STM的基础上，又发明了原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等等，这些显微镜都统称扫描探针显微镜。
因为它们都是靠一根原子线度的极细针尖在被研究物质的表面上方扫描，检测搜集针尖和样品间的不同物理量，以此取得样品表面的形貌图像和一些有关的电化学特性。
如：扫描隧道显微镜检测的是隧道电流，原子力显微镜镜测试的是原子间彼此作使劲等等。
光学显微镜和电子显微镜都称之为远场显微镜，因为相对来讲样品离成像系统有比较远的距离。
成像的图像好坏大体取决于仪器的质量。
而扫描探针显微镜的工作原理是基于微观或介观范围的各类物理特性，探针和样品之间只有2-3埃的距离，会产生彼此的作用，是一种彼此阻碍的耦合体系。
咱们称它为近场显微镜。
它的成像质量不单单取决于显微镜本身，专门大程度上受样品本身和针尖状态的阻碍。
因此，咱们在利用这一类的仪器时，要想取得好的图像，关键是要学会分析判定各类图像及现象的产生缘故，然后通过调整参数，取得相对好的图像。
2. 扫描探针显微镜的大体结构(1) 减振系统是仪器有效取得原子图像的必要保证。
有效的振动隔离是STM达到原子分辨率所严格要求的一个必要条件，STM原子图像的典型起伏是埃，所之外来振动的干扰必需小于埃。
有两类振动是必需隔离的：振动和冲击。
振动一样是重复性和持续性的，而冲击那么是瞬态转变的，在二者当中，振动隔离是最要紧。
近代物理实验报告实验题目：扫描探针显微镜指导老师：杨晓梅学院：物理电气信息学院班级：09级物理师范二班姓名：马林（12009243956）孟小龙（12009243945）扫描探针显微镜【目的要求】1.学习和了解扫描探针显微镜的结构和原理；2.掌握扫描探针显微镜的模式之一---扫描隧道显微镜的操作和调试过程，并以之来观察样品的表面形貌；3.学习用计算机软件来处理原始数据图像。
【仪器用具】扫描探针显微镜、针尖、计算机、光栅样品【原理】1. 扫描探针显微镜的基本结构(1) 减振系统是仪器有效得到原子图像的必要保证。
有效的振动隔离是STM达到原子分辨率所严格要求的一个必要条件，STM原子图像的典型起伏是0.1埃，所以外来振动的干扰必须小于0.05埃。
有两类振动是必须隔离的：振动和冲击。
振动一般是重复性和连续性的，而冲击则是瞬态变化的，在两者之中，振动隔离是最主要。
通常采用悬吊来隔离振动。
(2)头部探测系统由支架、针尖驱动机构（扫描器）、针尖和样品组成，是仪器的工作执行部分。
①.扫描系统扫描系统包括扫描器和针尖块。
扫描器使用4象限压电陶瓷管，采用样品扫描方式。
针尖块中密闭着前置放大器，通过引线将放大后的信号送至电子学控制箱。
针尖块的设计使用了专利技术—智能针尖连接结构。
在进行不同工作模式之间的转化时，用户只需将我们提供的安装不同种类探针的针尖块插入针尖架中即可。
系统会自动识别当前针尖的种类，并将软件切换到相应的工作模式。
②.驱进系统驱进调节机构主要用于粗调和精细调节针尖和样品之间的距离。
利用两个精密螺杆手动粗调，配合步进马达（可以手控也可计算机控制调节），先调节针尖和样品距离至一较小间距（毫米级，），然后用计算机控制步进马达，使间距从毫米级缓慢降至纳米级（在有反馈的情形下），进入扫描状态。
退出时反之。
③.支架：支架主要用于固定驱进系统以及与减震系统的连接。
(3)电子学控制系统是仪器的控制部分，主要实现形貌扫描的各种预设的功能以及维持扫描状态的反馈控制系统。
包括：①.前置放大器：安装在头部针尖块内；②.头部电路接口：安装在头部支座内；③.电子学控制箱：包括前面板、后面板和线路控制部分；④.马达驱动电路：安装在头部支座内，用于手动/计算机自动控制马达的进退，即针尖脱离或趋进样品；AD/DA多功能卡：安装在电子控制机箱内。
(4)计算机软件系统：是人机交互操作的主要界面，完成实时的控制、数据的获取和处理，以及数据的分析处理和输出。
头部系电子学控制计算机3. 扫描探针显微镜的工作模式之一---扫描隧道显微镜的基本原理STM的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。
对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度0V时，他不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。
而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿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。
图2 量子力学中的隧道效应扫描隧道显微镜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。
由于隧道电流(纳安级)随距离而剧烈变化，让针尖在同一高度扫描材料表面，表面那些“凸凹不平”的原子所造成的电流变化，通过计算机处理，便能在显示屏上看到材料表面三维的原子结构图。
STM 具有空前的高分辨率(横向可达0.1nm，纵向可达0.01nm),它能直接观察到物质表面的原子结构图，从而把人们带到了纳观世界。
STM中针尖对样品作两维扫描隧道电流与针尖样品表面距离呈负指数关系扫描隧道显微镜主要有两种扫描模式：恒电流模式和恒高度模式。
a)恒电流模式。
如图(a)所示， x、y方向进行扫描，在z方向加上电子反馈系统，初始隧道电流为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就向后退；反之，样品表面凹进时，反馈系统就使针尖向前移动，以控制隧道电流的恒定。
将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在记录纸或荧光屏上显示出来，就得到了样品表面的态密度的分布或原子排列的图象。
此模式可用来观察表面形貌起伏较大的样品，而且可以通过加在z方向上驱动的电压值推算表面起伏高度的数值。
b) 恒高度模式。
如图(b)所示，在扫描过程中保持针尖的高度不变，通过记录隧道电流的变化来得到样品的表面形貌信息。
这种模式通常用来测量表面形貌起伏不大的样品。
【实验步骤】一、准备样品：STM仪器只能探测具有良好导电性的样品，同时由于探测时针尖),(),(yxzVVVyxz→恒电流模式)y(要在样品表面表面进行移动扫描，所以对于表面型貌错综复杂的样品，是不适合用STM进行扫描的。
比较常用的两种样品是：光栅样品和石墨样品。
STM的扫描范围比较窄，因此每次在放置样品时，可以适当的变动一下样品的位置，以便选择一个合适的区域进行扫描，这样既可以保证能够得到一幅理想的扫描图象，又可以发现并避开样品表面存在划痕、撞坑等结构复杂的区域。
本次实验采用光栅样品。
二、硬件操作打开电脑、开启控制箱电源放样品到载物台打开软件，切换到在线处理模式(此时仪器会自动识别当前针尖类型，软硬件自动切换到相应工作模式，头部液晶屏也会立即显示出当前工作模式)，如果此时想切换XY、Z的大小扫描范围的话，可以点击“马达趋近1_1_1”插件，选择好相应的扫描范围，关闭主程序，再切换到在线处理模式。
调节机箱旋钮，设定初始值：（设定点、针尖偏压在硬件状态栏中读数，反馈直接在旋钮上读数）（1）设定点（电流）1.5~2.0（一般设为：1.8）（2）偏压 -0.15~ -0.25（一般设为：-0.22）（3）反馈 1.0~1.5 （一般设为：1.2）三、在线软件操作点击“马达趋近1_1_1”插件，开始马达自动趋近。
点击“图像扫描1_1_2”插件开始“恒流模式”扫描前设置以下参数根据所感兴趣的样品特征，设定扫描范围调整扫描速度（扫描速度太快会损害针尖和样品），速度单位：（1秒/行）XY偏置复位打开算法：“高差”通道，将“反向”和“斜面校正”都勾上。
其他通道根据需要勾上“斜面校正”角度调整为0度添加样品说明：双击主程序标题栏上的“样品说明”出现对话框，在样品说明栏添加样品说明。
单击“修改”按钮完成修改。
设置数据采集通道设置数据保留路径设置采样点数（默认为256*256）参数设置完毕，执行“恒流模式”扫描命令注意：A、通常都采用恒流模式扫描点开始扫描时，电脑会执行预扫描，此时不要动作软件、硬件扫描过程中，不要碰头部，如果要微动样品，请至少Z马达复位3000步开始扫描后，点四个通道的“适应”按钮，根据图像选择“线/面适应”保留、保存数据；第一次点“保留”后，在主程序右上方的“文件名前缀”旁边的白框上对新建立的文件夹命名根据图像情况及特征，调整参数，重复上述过程。
四、结束硬件操作扫描完毕，停止扫描执行马达复位命令调节机箱旋钮，恢复到初始值手动退离针尖，取下样品，放入样品盒。
注意：退离时务必保证松开蝴蝶螺母关闭控制箱电源按需要进行数据分析和处理关闭程序、关闭计算机五、图象分析1、任意曲线路径数据提取在离线处理工具栏中打开任意曲线路径插件，出现“任意曲线路径”窗口。
点击四通道中任意一个图像窗口，选中“打开选择器”，此时图像中会出现一条线，可以用鼠标任意拖动线的两头，改变线的位置，然后点击“任意曲线”窗口中的“适应”功能。
本次实验中，由于电脑软件出现错误，导致点1和点2数据相同，距离和高度差没有数值，本次实验出现错误，导致无实验结果有误。
2、金光栅高差由金光栅高差图可看出：暗色为金光栅表面凹槽，亮色为金光栅表面凸面；两凹槽之间的间距为2000nm；随着横坐标的变化明暗色差发生变化，同时随着纵坐标的变化明暗色差也发生变化，是由于随着横轴的移动，凹凸之间的高度差逐渐增大，同时随着纵坐标的变化，凹槽与凸面同时增加，且凹槽与凸面之间的高度差同时增加。
3、金光栅扫描图片的数据统计数据统计是对数据进行分布率分析，包括高度分布率和面积分布率。
高度分布率是指统计在不同的高度上数据的分布比例.面积分布率是指在不同的高度上取剖面，将高于剖面数据在该剖面上投影，计算投影面积与剖面总面积的比例。
数据的最大高度差是指数据的最小值与最大值的差值对应的高度差。
在高度分布率区和面积分布率区中移动鼠标指针，高度分布率指针和面积分布率指针将跟随鼠标指针移动，同时指针详值区将显示具体的指针对应值。
4、金光栅三维图形输出三维显示可以显示全部或部分数据的三维图形。
显示倍率：对数据三维图形进行放大和缩小。
高度比例：对数据在Z方向上进行放大和缩小，但颜色不变。
显示精度：针对PC机在三维变换时的表现速度可进行显示精度的变化，精度值为1、2、4、8、16，值越高，显示精度越低。
区域显示：当选择区域显示功能时，会在数据图像区中显示区域设定框，对区域的设定会改变显示的三维图形。
三维旋转和平移：在旋转设定区中移动旋转点或在平移设定区中移动平移点，可以控制在三维图形显示区中的图形旋转或平移。
从三维输出我们可以更加直观的观察图像的特点。
5、扫描图片的剖面分析图在离线处理工具栏中打开剖面线插件，出现“剖面线”窗口。
点击四通道中任意一个图像窗口，选中“打开选择器”，此时图像中会出现一条线，可以用鼠标任意拖动线的两头，改变线的位置，然后点击“剖面线”窗口中的“适应”功能，就会显示该线条的剖面线曲线图。
由图像可知此次所分析的剖面线的两点间的距离为2002.3，高度差为16.2.从图中我们看到有很多高低起伏的波，并且这些波既有对称性。
6、粗糙度分析操作方法在“离处理”中单击“粗糙度”插件，进入“粗糙度”插件操作界面线粗糙度的操作方法：在粗糙度插件的左上方的图片上单击鼠标右键，便会出现浅绿色粗糙度选择线，将鼠标移动到该线两端等出现十字架后按住鼠标左键不放拖动就可以选择你敢兴趣的地方进行线粗糙度分析；面粗糙度的操作方法：在粗糙度插件的右上方选定面粗糙度“面粗糙度”，鼠标单击图片右下方的“显示参数按钮-面粗糙度”，就能够得到整幅图片的粗糙度的相关参数。
从所得的图像中我们可以发现，每一个地方的粗糙度都是不一样的，有些地方比较粗糙，但有些地方相对较弱一些。
六、实验思考题1.扫描隧道显微镜的工作原理是什么？什么是量子隧道效应？答：（1）扫描隧道显微镜的基本原理：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。
（2）量子隧道效应：对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E 低于前方势垒的高度V0时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。
而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒。
