8.3 原子力显微镜

1981年，美国国际商用机器公司IBM发明扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM) 。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及与表面电子行为有关的物理、化学性质被国际科学界公认为八十年代世界十大科技成就之一。

1986年，Binning等三人利用当时的STM（ScanningProbe Microscope，扫描探针显微）技术，与Stanford University 合作发展出能侦测探针与样品间的范得华力的原子力显微镜(AFM)。

除了AFM及STM外，近场光学显微镜(SNOM)等各种表面特性的分析工具也陆续被开发。以此类微探针为基础的检测工具，统称为SPM。近年来，SPM的应用逐渐广泛，除了纳米等级的表面检测外，也广泛应用于各种纳米加工技术。1990年IBM公司用STM把35个氙原子排成“IBM”字样;1993年，中国科学院北京真空物理实验室操纵原子成功写出“中国”二字及中国地图。

SPM原理：

利用探针与样品间不同的相互作用，在纳米级至原子级水平上扫描物质表面的原子和分子的几何结构及其相关的物理、化学性质。当探针与样品表面间距小到纳米级时，按照近代量子力学的观点，由于探针尖端的原子和样品表面的原子具有特殊的作用力，并且该作用力随着距离的变化非常显著。当探针在样品表面来回扫描的过程中，顺着样品表面的形状而上下移动。独特的反馈系统始终保持探针的力和高度恒定，一束激光从悬臂梁上反射到感知器，这样就能实时给出高度的偏移值。样品表面就能记录下来，最终构建出三维的表面图。

其测试过程是利用一根尖端半径在几个纳米的极微细探针（微探针），在极靠近样品表面处对样品表面的形貌或特性（如：电、磁、力、光等特性）进行逐行逐点探测。由此，可清楚得到原子等级解析度的样品表面形貌与特性。

利用探针与样品的不同相互作用，来探测表面或界面在纳米及原子级尺度表现出的物理化学性质。在纳米级至原子级水平上研究物质表面的原子和分子的几何结构及与电子行为有关的物理、化学性质。目前对纳米微观结构的分析表征手段主要有扫描探针显微技术，它包括扫描隧道电子显微镜、原子力显微镜、近场光学显微镜等。

 

SPM的装置：

扫描探针显微 (Scanning Probe Microscope) 主要包含几个子系统：微探针、感测器、扫描平台和控制系统。

SPM的特点：

1） 分辨率高（原子级）

2、可实时得到样品表面的3D立体放大图像，可用于表面结构精细研究。

应用：例如可用于表面扩散等动态过程的研究。

3、可近距离观察单个原子层的局部表面结构。

应用：例如可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体等因素引起的表面重构等结构变化。

4、可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其它溶液中；不需要特别的制样技术；探测过程对样品无损伤。

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。

SPM的应用：

与纳米技术相结合，主要应用于：表面科学、材料（金属、半导体、高聚物等）科学、生命科学等领域等，具体为：

1）微米纳米结构表征：粗糙度，摩擦力，高度分布，自相关评估，软性材料的弹性和硬度测试。功能材料的电性、磁性、光学等性能测试。

2）生物应用: 液体中完整活细胞成象，细胞膜孔隙率和结构表征，生物纤维测量，DNA成像和局部弹性测量

3）薄膜表征: 孔隙率分析，覆盖率，附着力，磨损特性，纳米颗粒和岛屿的分布