第十二章-扫描电化学显微镜

中山大学研究生学刊（自然科学、医学版）第32卷第2期JOURNAL OF THE GRADUATES VOL.32ɴ22011SUN YAT-SEN UNIVERSITY（NATURAL SCIENCES、MEDICINE）2011扫描电化学显微镜的基本原理与应用*尹其和（中山大学化学与化工学院）【内容提要】本文回顾了扫描电化学显微镜（SECM）的发展历史，阐明了其基本原理，综述了其应用，展望了其发展前景。

对从事SECM研究工作的人员具有一定参考价值。

【关键词】扫描电化学显微镜；电化学；探头；原理；应用1SECM的发展简史1981年宾宁（G．Binnig）和罗雷尔（H．Rohrer）发明了扫描隧道显微镜（STM）。

它基于量子力学的隧道效应和三维扫描的原理设计而成。

原子尺度的针尖在不到一个纳米的高度上扫描样品时，此处电子云重叠，外加一电压（2mV 2V），针尖与样品之间产生隧道效应而有电子逸出，形成隧道电流。

电流强度和针尖与样品间的距离有函数关系，当探针沿物质表面按给定高度扫描时，因样品表面原子凹凸不平，使探针与物质表面间的距离不断变化，从而引起电流不断改变。

将电流的这种改变图像化即可显示出原子水平的凹凸形态。

STM的分辨率很高，横向为0.1 0.2nm，纵向可达0.001nm［1］。

可观察固态、液态和气态样品。

但它要求样品非绝缘性，这限制了它的广泛应用。

随后于1985年，Binnig与Quate发明了原子力显微镜（AFM）。

它利用探针针尖和待测试样之间范德华作用力的强弱得知样本表面的起伏高低和几何形状，且导体和非导体试样均可测试，这解块了STM在材料上的限制。

AFM的发明，引起许多扫描探针显微镜的发展，如：扫描近场光学显微镜（SNOM）和光子扫描隧道显微镜（PSTM），但上述几种扫描探针显微镜均不能提供样品的电化学信息。

在扫描探针发展的基础上，Bard A．J．于1986年明确提出了扫描电化学显微镜（Scanning Electrochemical Microscopy，SECM）的概念并予实验实现［2］与STM和AFM不同，SECM基于电化学原理工作［3，4］。

扫描电化学显微镜的原理及应用引言扫描电化学显微镜（Scanning Electrochemical Microscopy，SECM）是一种利用电化学方法实现表面成像的高分辨率显微镜技术。

它将电化学反应与显微镜成像结合起来，可以对材料表面的电化学行为进行原位观察和分析。

本文将介绍扫描电化学显微镜的原理以及其在各个领域的应用。

扫描电化学显微镜的原理1. 基本原理扫描电化学显微镜的基本原理是利用电化学探针在样品表面与电解液之间的相互作用进行成像。

主要包括两种测量模式：接触模式和非接触模式。

接触模式通过在样品表面移动探针，并测量由电流引起的探针的垂直位移来获得拓扑图像。

非接触模式则通过测量电流和电压之间的关系，实现对样品表面的电化学反应的原位观察。

2. 电化学探针电化学探针是扫描电化学显微镜的核心组件，它用于在样品表面与电解液之间传递电子和离子。

电化学探针一般由微型电极和参比电极组成。

微型电极可以是圆盘形、柱形或其他形状的电极，用于测量电流信号。

参比电极则用于提供一个稳定的电势参考。

3. 信号检测与成像信号检测与成像是扫描电化学显微镜的关键步骤。

它通过测量电化学反应引起的电流或电势变化来获得样品表面的信息。

扫描电化学显微镜可以通过控制电极位置在样品表面上扫描，记录每一个位置的电化学信号，从而生成完整的成像结果。

扫描电化学显微镜的应用1. 材料表面反应动力学的研究扫描电化学显微镜可以实时观察和测量材料表面的电化学反应动力学参数，如电化学反应速率、反应机制等。

这对于研究材料的电化学性能、催化剂的活性等具有重要意义。

2. 生物电化学研究扫描电化学显微镜可以在生物界面中实现高分辨率成像，用于研究生物体内各种生物电化学过程，例如细胞信号传递、药物递送等。

它可以提供与传统显微镜不同的电化学信息，为生物界面的研究提供了新的工具。

3. 腐蚀和防护研究扫描电化学显微镜可以对金属材料的腐蚀行为进行表征和研究。

通过观察腐蚀过程中的电流和电位变化，可以评估材料的耐蚀性，为材料的防护提供理论依据。

扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope)基础知识一、扫描电子显微镜的工作原理扫描电镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。

试样为块状或粉末颗粒，成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子。

其中二次电子是最主要的成像信号。

由电子枪发射的能量为5 ～35keV 的电子，以其交叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。

聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射（以及其它物理信号），二次电子发射量随试样表面形貌而变化。

二次电子信号被探测器收集转换成电讯号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度，得到反映试样表面形貌的二次电子像。

二、扫描电镜具有以下的特点(1) 可以观察直径为0 ～30mm的大块试样(在半导体工业可以观察更大直径)，制样方法简单。

(2) 场深大、三百倍于光学显微镜，适用于粗糙表面和断口的分析观察；图像富有立体感、真实感、易于识别和解释。

(3) 放大倍数变化范围大，一般为15 ～200000 倍，对于多相、多组成的非均匀材料便于低倍下的普查和高倍下的观察分析。

(4) 具有相当高的分辨率，一般为3.5 ～6nm。

(5) 可以通过电子学方法有效地控制和改善图像的质量，如通过调制可改善图像反差的宽容度，使图像各部分亮暗适中。

采用双放大倍数装置或图像选择器，可在荧光屏上同时观察不同放大倍数的图像或不同形式的图像。

(6) 可进行多种功能的分析。

与X 射线谱仪配接，可在观察形貌的同时进行微区成分分析；配有光学显微镜和单色仪等附件时，可观察阴极荧光图像和进行阴极荧光光谱分析等。

(7) 可使用加热、冷却和拉伸等样品台进行动态试验，观察在不同环境条件下的相变及形态变化等。

三、扫描电镜的主要结构1.电子光学系统：电子枪；聚光镜（第一、第二聚光镜和物镜）；物镜光阑。

电化学扫描探针显微镜在表面微/纳米加工的应用汤　儆,毛秉伟,田中群(固体表面物理化学重点实验室,化学系,福建厦门361005)摘要:概述了在固/液界面微/纳米加工中经常采用的三种电化学扫描探针显微镜(EC2SPM)技术,分别讨论了电化学扫描隧道显微镜(EC2STM)、电化学原子力显微镜(EC2AFM)和扫描电化学显微镜(SECM)在应用于微/纳米加工时的基本原理和各种方法,并综合比较和分析了这三种技术的优缺点。

关键词:扫描隧道显微镜;原子力显微镜;扫描电化学显微镜;微/纳米加工;电化学中图分类号:TH742　文献标识码:A　文章编号:167124776(2003)07/0820192205Micro2and nano2fabrication by EC2SPMTAN G Jing,MAO Bing2wei,TIAN Zhong2qun(State Key L aboratory f or Physical Chemist ry of Soli d S urf aces,Depart ment of Chemist ry,Xiamen U niversity,Xiamen361005,Chi na)Abstract:Three main electrochemical scanning probe microscopy(EC2SPM)techniques for micro2and nano2fabrication are reviewed.The mechanism and different approaches of micro/nanofabrication about scanning tunneling microscope(STM),atomic force microscope(AFM)and scanning electro2 chemical microscope(SECM)are discussed in detail.The advantage and disadvantage of each tech2 nique are compared and analyzed.K ey w ords:STM;AFM;SEM,micro/nanofabrication;electrochemistry1　引　言扫描探针显微镜(SPM)泛指扫描隧道显微镜以及在此基础上发展起来的原子力显微镜、磁力显微镜(MFM)、静电力显微镜(EFM),扫描近场光学显微镜(SNOM)和扫描电化学显微镜(SECM)等一系列显微镜。

扫描电化学显微镜的发展及应用第一篇：扫描电化学显微镜的发展及应用浅谈电化学扫描显微镜的发展与应用一、电化学扫描显微镜简介1984年，Engstrom 把生理学上的离子电渗技术引入化学领域，研究了固体电极表面微区电化学活性，达到10µm的分辨率[1]；1986年，Engstrom小组利用微电极探针监测扩散层内毫秒级寿命反应中间体NAD等电极产物的空间分布，可达2µm分辨率[2]；同年，电分析化学家Bard小组在使用扫描隧道显微镜（STM）首次进行溶液中导体表面研究时，为了弥补STM不能提供电化学信息的不足，明确提出了扫描电化学显微镜的概念并予实验实现[3]。

扫描电化学显微镜（SECM）是80年代末由A．J．Bard的小组提出和发展起来的一种扫描探针显微镜技术。

它是基于70年代末超微电极（UME）及80代初扫描隧道显微镜（STM）的发展而产生出来的一种分辨率介于普通光学显微镜与STM之间的电化学现场检测新技术。

与STM和AFM技术不同，扫描电化学显微镜基于电化学原理工作，可测量微区内物质氧化或还原所给出的电化学电流。

该技术驱动一支超微电极（探针）在离固相基底表面很近的位置进行扫描，从而获得对应的微区电化学和相关信息。

可用于研究：（1）导体和绝缘体基底表面的几何形貌；（2）固/液、液/液界面的氧化还原活性；（3）分辨不均匀电极表面的电化学活性；（4）微区电化学动力学；（5）生物过程及对材料进行微加工。

SEME装置由电化学部分（电解池、探头、基底、各种电极和双恒电位仪）、压电驱动器（用来精确地控制操作探针和基底位置）以及计算机（用来控制操作、获取和分析数据）组成，实验装置如图1。

二、工作模式及原理2.1 工作模式SECM是以电化学原理为基础的一种扫描探针新技术，有多种不同的操作模式，见图2。

（1）反馈模式Feedback Mode（SECM试验中最常用）（2）收集模式（Generation/collection Mode）（3）穿透模式（Penetration Mode）（4）离子转移反馈模式（Ion transfer Mode）（5）平衡扰动模式（Equilibrium perturbation Mode）（6）电位测定模式（Potentionmetric detect Mode）图2.SECM几种操作模式的原理示意图 2.2 工作原理SECM的工作原理一般是：当探针（常为超微圆盘电极，UMDE）与基底同时浸入电活性物质O的溶液中，在探针上施加电位（ET）使O发生还原反应，O+ne→R当探针靠近导电基底时，其电位控制在R氧化电位，则基底产物O可扩散回探针表面使探针电流iT就越大。

基于扫描电化学显微镜的光催化剂快速评估方法及其应用太阳能是最丰富的自然资源,在能源与环境领域的可持续发展中扮演着重要的角色。

随着光催化纳米技术的迅猛发展,光催化体系广泛应用于能量转换和储存,光分解水制备氢气和氧气,有机污染物的降解等。

一般来说,当入射光照到半导体表面时,光催化反应过程涉及光生电荷的分离、复合与迁移。

每一个步骤都可能成为光催化反应的决速步骤。

例如,在太阳能电池领域,为了提高Ti02半导体的光电转换效率,通过吸附有机染料或沉积量子点敏化剂提高其对可见光的响应。

同时,为了获得优异的电池效率,电解液、氧化还原电位、对电极必须与Ti02光阳极匹配。

众多因素相互影响,导致光催化体系十分复杂。

由于缺乏理论指导,需要耗费大量的人力和时间获得优质的光催化剂和高效的光催化体系。

因此,为了更快捷、更深入的研究光催化体系,必须寻求一种高效可靠的分析检测技术,缩短光催化体系由研发到应用的周期。

扫描电化学显微镜(Scanning electrochemical microscopy,SECM)是一种基于超微电极的扫描探针技术,具有较高的空间分辨率与化学敏感性。

近年来,研究者把SECM能够对基底化学活性快速成像的优势与组合化学方法相结合,将扫描电化学显微镜应用于催化剂的高通量评估,简化了材料合成和筛选的步骤。

本论文针对扫描电化学显微镜在光催化材料的评估与优化进行研究,开展了以下研究工作:(1)在SECM快速评估技术的基础上,建立了一种简便的提高SECM成像信噪比的新方法。

实验中,通过掩膜法将基底与电解液隔离、避免入射光子激发,显著降低背景电流,进而提高输出图像的信噪比。

其次,将改进后的SECM快速评估技术应用于评估量子点敏化太阳能电池(QDSSC)的光敏剂以及光敏剂的制备工艺。

结果表明,该方法能够有效评估QDSSC的组装与测试工艺,如SILAR、光照强度等。

该技术操作简单、结果直观,是优化光催化体系的有效工具。

浅谈电化学扫描显微镜的发展与应用一、电化学扫描显微镜简介1984年，Engstrom 把生理学上的离子电渗技术引入化学领域，研究了固体电极表面微区电化学活性，达到10µm的分辨率[1]；1986年，Engstrom小组利用微电极探针监测扩散层内毫秒级寿命反应中间体NAD等电极产物的空间分布，可达2µm分辨率[2]；同年，电分析化学家Bard小组在使用扫描隧道显微镜（STM）首次进行溶液中导体表面研究时，为了弥补STM不能提供电化学信息的不足，明确提出了扫描电化学显微镜的概念并予实验实现[3]。

扫描电化学显微镜（SECM）是80年代末由A．J．Bard的小组提出和发展起来的一种扫描探针显微镜技术。

它是基于70年代末超微电极（UME）及80代初扫描隧道显微镜（STM）的发展而产生出来的一种分辨率介于普通光学显微镜与STM之间的电化学现场检测新技术。

与STM和AFM技术不同，扫描电化学显微镜基于电化学原理工作，可测量微区内物质氧化或还原所给出的电化学电流。

该技术驱动一支超微电极（探针）在离固相基底表面很近的位置进行扫描，从而获得对应的微区电化学和相关信息。

可用于研究：（1）导体和绝缘体基底表面的几何形貌；（2）固/液、液/液界面的氧化还原活性；（3）分辨不均匀电极表面的电化学活性；（4）微区电化学动力学；（5）生物过程及对材料进行微加工。

SEME装置由电化学部分（电解池、探头、基底、各种电极和双恒电位仪）、压电驱动器（用来精确地控制操作探针和基底位置）以及计算机（用来控制操作、获取和分析数据）组成，实验装置如图1。

二、工作模式及原理2.1 工作模式SECM是以电化学原理为基础的一种扫描探针新技术，有多种不同的操作模式，见图2。

（1）反馈模式Feedback Mode（SECM试验中最常用）（2）收集模式（Generation/collection Mode）（3）穿透模式（Penetration Mode）（4）离子转移反馈模式（Ion transfer Mode）（5）平衡扰动模式（Equilibrium perturbation Mode）（6）电位测定模式（Potentionmetric detect Mode）图2. SECM几种操作模式的原理示意图2.2 工作原理SECM 的工作原理一般是：当探针（常为超微圆盘电极，UMDE ）与基底同时浸入电活性物质O 的溶液中，在探针上施加电位（E T ）使O 发生还原反应，R ne O →+当探针靠近导电基底时，其电位控制在R 氧化电位，则基底产物O 可扩散回探针表面使探针电流i T 就越大。